Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Электроника ответы.
Основными процессами в полупроводниковых приборах являются: получение носителей зарядов, управление их концентрацией и движением.
Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Свойства:
Вещество
Ширина запрещенной зоны,
Собственное удельное сопротивление при 20 °C, Ом•см
Относительная диэлектрическая проницаемость
Подвижности носителей тока в области собственной проводимости при 20 °C, см2/(В•с)
(n —отрицательный, электронный, p —положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход. Зоной p-n-перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p. Под пробоем р-п перехода понимается явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Все разновидности пробоя р-п перехода можно разделить на две основные группы пробоев: электрические и тепловые.
Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.
показаны схемы для снятия вольт-амперной характеристики диода соответственно при прямом и обратном включениях. На условном изображении полупроводникового диода треугольник в качестве стрелки указывает прямое направление тока. р-область, изображенную треугольником, называют анодом, а n-область показанную черточкой, в которую он упирается углом называют катодом. С помощью потенциометра R малыми шагами изменяют напряжение диода. Соответствующие показания приборов записывают в таблицу. По полученным данным на графике наносят точки, через которые проводят плавную кривую, являющуюся экспериментальной вольт-амперной характеристикой диода. Особенно тщательно производят измерения на начальных участках и тех участках, где вольт-амперная характеристика претерпевает относительно резкие изменения. При этом необходимо следить, чтобы произведение UI = P не превышало значения максимально допустимой мощности данного диода, указанной в справочнике.
Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р — n-переходом: U — напряжение на диоде; I — ток через диод; U*oбр и I*oбр — максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт — напряжение стабилизации.
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.
Режимы работы биполярного транзистора(спросить у деда писать или нет)
Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет прямое включение, а коллекторный переход — обратное.
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Режим отсечки
В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
Барьерный режим
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.
Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для повышения коэффициента усиления реальные усилители переменного тока содержат не один, а несколько каскадов. В качестве примера показана схема двухкаскадного усилителя.
Напряжение с выхода первого каскада подается на вход второго, с выхода второго на вход третьего и т.д. Таким образом, коэффициент усиления схемы равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.
Для оценки свойств усилителя на разных частотах пользуются амплитудно-частотной K=f(f) и фазо-частотной характеристиками.
Наибольший коэффициент усиления усилитель имеет в диапазоне средних частот, а на нижних и на верхних частотах коэффициент усиления резко снижается.
Возможность неискаженного усиления негармонического сигнала оценивается полосой пропускания усилителя f. Величина f определяется:
где fн.гр. - нижняя граничная частота,
fв.гр. - верхняя граничная частота.
Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного тока электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов. Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур(К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник), которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.
За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).
Полевой транзистор можно включать в усилительную схему тремя различными способами: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). На практике чаще всего применяется схема с ОИ (рис. 3.7), аналогичная схема на полупроводниковом триоде с ОЭ.
Начальный режим работы полевого транзистора обеспечивается постоянным током ICр и соответствующим ему постоянным напряжением на стоке Uсир.
Iср в выходной стоковой цепи устанавливается с помощью источника питания Ес и начального напряжения смещения на затворе Uзр отрицательной полярности (для полевого транзистора с р-каналом положительной полярности). В свою очередь, напряжение Uзр обеспечивается за счет того же самого тока Iср, протекающего через резистор в цепи истока Rи, т.е.Uзр = IсрRи. Это напряжение через резистор R3 прикладывается к затвору с полярностью, указанной на рис. 3.7. Изменяя Rи, можно изменять напряжение Uзр и ток стока Iср, устанавливая требуемое его значение.
|
|
|
|
|
Рис. 3.7
Резистор Rи, кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет функцию термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iср. Чтобы на сопротивлении Rи не выделялось напряжение за счет переменной составляющей тока стока Iс (это привело бы к отрицательной обратной связи по переменному току), его шунтируют конденсатором Си, емкость которого определяется из условия Си >> I / wRn, где w - частота усиливаемого сигнала.
Резистор R3, включенный параллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико (сопротивление p-n перехода исток-затвор), должен иметь соизмеримое с ним сопротивление.
Для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю и предназначены усилители постоянного тока. Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная (по постоянному току) связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами. Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. При создании многокаскадных УПТ широко используют транзисторы, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада.
Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.
Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.
Применение
Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ
Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.
Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования.
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью(Отрица́тельная обра́тная связь— тип обратной связи, при которой выходной сигнал передается обратно на вход для погашения части входного сигнала), которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:
V+: неинвертирующий вход
V−: инвертирующий вход
Vout: выход
VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC + )
VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC − )
Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования.
Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:
1 Каскад с общим эмиттером
2 каскад с общим коллектором
3 каскад с общей базой
Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам - высокий коэффициент усиления.
Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной ток протекает через переход "база-эмиттер" транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.
Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон.
Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов.
Обратной связью называют такое взаимодействие напряжений или токов в цепях электронной схемы, при котором часть энергии из выходной цепи передается во входную цепь. Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход.
В общем виде структурная схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 1.4. Напряжение с выхода усилителя, имеющего коэффициент усиления К, подается на вход звена обратной связи с коэффициентом передачи .
Все обратные связи можно подразделяются по способу съема сигнала обратной связи на выходе усилителя и по способу введения сигнала на входе. На рис. 1.5 показана последовательная обратная связь, когда сигнал напряжение обратной связи подается на вход последовательно со входным напряжением.
Рисунок 1.5 - Последовательная обратная связь
Если выход звена обратной связи подключается параллельно входу усилителя (рис. 1.6) , то обратная связь считается параллельной и выходной ток звена обратной связи алгебраически суммируется со входным током усилителя.
Рисунок 1.6 – Параллельная обратная связь
U 2=КU1+ S 2U12+ S 3U13+...
Выходной сигнал из-за нелинейности амплитудной характеристики будет содержать гармоники. оос линеаризует АЧХ, т.е. уменьшает нелинейные искажения.
U2=Uвых=КUвх+Uвых г (1)
КUвх - основная гармоника;
Uвых г - суммарное напряжение гармоник
Из (7) видно, что напряжение гармоник усилителя с оос меньше в F раз.
КГ - коэффициент гармоник без оос.
Пример:
КГ - клир-фактор = 15%; КГF = 0,5%; F-?
F=15/0,5=30.
Глубокая оос - основной способ уменьшения нелинейных искажений.
Иногда необходимо дифференцировать какую-либо функцию, заданную зависимостью напряжения от времени, для чего также можно использовать операционный усилитель. Принципиальная схема дифференцирующего усилителя (дифференциатора) представлена на рис. П*9.
Выходное напряжение дифференциатора пропорционально первой производной от входного напряжения:
(11)
Если на вход подается постоянное напряжение, оно не проходит через конденсатор, и выходное напряжение равно нулю. Это же подтверждается формулой (11), так как производная от постоянной величины равна нулю. Если входное напряжение имеет импульсный характер, оно дифференцируется.
Если входное напряжение имеет синусоидальную форму, дифференциатор работает подобно фильтру верхних частот, коэффициент усиления которого прямо пропорционален частоте входного сигнала. По этой причине дифференциатор подчеркивает шумы, входящие в состав входного сигнала. Этот недостаток обычно устраняют подключением конденсатора небольшой емкости параллельно резистору.
схема ОУ с последовательной ООС по напряжению (неинвертирующий усилитель)
Roc, R-элементы ОС;
U1 - входное напряжение;
Uд - дифференциальное напряжение на входе;
Rвх, Rвых - входное и выходное сопротивления.
Uд=U11-U21;
Если включить в цепь ОС частотно-зависимые резисторы, то можно синтезировать усилитель с заданной АЧХ и ФЧХ, например так строятся активные фильтры. Используя частотно-зависимые элементы ОС можно синтезировать различные ЧХ типовых усилителей. Частотно-зависимые многопетлевые ОС используются для построения активных фильтров.
Рис. 2.7. Вычитающий усилитель на ОУ.
В том случае, когда требуется осуществить вычитание двух однополярных сигналов, применяют специальные вычитающие усилители, входные сигналы на которые подаются через инвертирующий (1) и неинвертирующий (2) входы.
Выходной сигнал будет иметь составляющие, обусловленные обоими входными сигналами. Поскольку схема работает в линейном режиме, по принципу суперпозиции можно определить
Для того, чтобы коэффициент при каждом входе были одинаковы, необходимо чтобы