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
Полупроводниками являются, как правило, твердые тела срегулярной кристаллической структурой (монокристаллы). Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.
Разновидности кубической решетки:
-простая кубическая решетка
-кубическая объемо-центрированная решетка
-кубическая гранецентрированная решетка
-решетка типа алмаз
Образование носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.
Беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называют собственным полупроводником. Проводимость собственного полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют собственной проводимостью.
Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т. е. осуществить легирование полупроводника. На практике легирование осуществляется при помощи процесса диффузии, эпитаксиального наращивания, ионной имплантации атомов и др.
Существуют примеси двух видов: доноры — пятивалентные элементы, такие как фосфор, мышьяк, сурьма и акцепторы - трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, галлий.
Если ввести в кремний атом донора, то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комбинации оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента; он легко отрывается и делается свободным. При этом примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам (рис. 1.3, а). Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называют электронными, донорными или п-типа.
Если ввести в Si атом трехвалентного элемента (например, бора или алюминия), то все три его валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов Si. Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен дополнительный электрон, отбираемый от ближайшего соседнего атома, у которого в результате образуется незаполненная связь — дырка. Атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом (рис. 1.3, б). Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называются дырочными, акцепторными или p-типа. Примеси, обуславливающие дырочную проводимость, называются акцепторными.
Отрыв лишнего электрона от донора или добавление недостающего электрона к акцептору требует затраты энергии ионизации или активизации примеси.
Поскольку в примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок резко различны, принято называть носители преобладающего типа основными, а носители другого типа неосновными. Основные носители в полупроводниках п-типа — электроны, а в полупроводниках р- типа — дырки.
ГЕНЕРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА в полупроводниках - появление электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Г. н. з. происходит под действием теплового движения атомов кристаллич. решётки (тепловая генерация), а также внеш. факторов - освещения (оптич. генерация), облучения потоками частиц, сильных электрич. полей и др.
Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда неотъемлемы друг от друга и противоположны по содержанию. Рекомбинация противодействует накоплению носителей, благодаря ей носители имеют конечное время жизни. Этот параметр во многом определяет длительность переходных процессов.
Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р-п-переходами.
Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (п- или p-типом), отличающиеся концентрацией примесей и, соответственно, значением удельной проводимости, называют электронно-электронными (п-п+ -переход) или дырочно-дырочными (р-р+ -переход), причем знак + в обозначении одного из слоев показывает, что концентрация носителей заряда одного типа в этом слое значительно выше, чем во втором, и поэтому слой имеет меньшее удельное электрическое сопротивление.
Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл — полупроводник.
Различают непосредственную рекомбинацию и рекомбинацию на примесных центрах.
Непосредственная рекомбинация — это переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. При таком переходе выделяется энергия qфg такая же какая была затрачена на переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. При этом возможны излучательная и безызлучательная непосредственные рекомбинации. В целом процесс непосредственной рекомбинации маловероятен. Энергия выделяется в виде фотона (излучательная рекомбинация), либо в виде фонона (безызлучательная рекомбинация).
Главную роль играет рекомбинация на примесных центрах. Реакция идет через глубокие уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны, которые называются ловушками. Процесс двухэтапный. Сначала электрон переходит из зоны проводимости на уровень ловушки, а затем с уровня ловушки в валентную зону. На каждом этапе выделяется энергия, близкая к половине ширины запрещенной зоны qфg, т.е. вдвое меньшая, чем при непосредственной рекомбинации.
Рекомбинация равновесных носителей заряда. Вероятность непосредственной рекомбинации электрона с одной из дырок в единицу времени можно записать следующим образом:
где г — коэффициент рекомбинации; — эффективное сечение захвата; —средняя тепловая скорость электронов.
Рекомбинация равновесных носителей заряда
Рекомбинация на ловушках
Поверхностная рекомбинация
Подвижность носителей заряда — коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей и приложенным внешним электрическим полем. Определяет способность электронов и дырок в металлах и полупроводниках реагировать на внешнее воздействие.
Размерность подвижности м2/(В·с) или см2/(В·с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности электрического поля в 1 В/м.
Дрейфом называют направленное движение носителей заряда под действием электрического поля.
Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на средней длине свободного пробега добавочную составляющую скорости, которая называется дрейфовой скоростью , к своей средней скорости движения.
Дрейфовая скорость электронов мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения в обычных условиях. Плотность дрейфового тока
|
, |
(1.3) |
где – концентрация электронов в ; – заряд электрона.
Дрейфовая скорость, приобретаемая электроном в поле единичной напряженности , называется подвижностью:
|
. |
(1.4) |
Поэтому плотность дрейфового тока
|
. |
(1.5) |
Составляющая электрического тока под действием внешнего электрического поля называется дрейфовым током. Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной составляющих:
|
, |
(1.6) |
где – напряженность приложенного электрического поля; p – концентрация дырок.
Удельная электрическая проводимость равна отношению плотности дрейфового тока к величине напряженности электрического поля :
|
, |
(1.7) |
то есть электропроводность твердого тела зависит от концентрации носителей электрического заряда и от их подвижности .
|
1.6.2. Диффузия носителей заряда |
При неравномерном распределении концентрации носителей заряда в объеме полупроводника и отсутствии градиента температуры происходит диффузия – движение носителей заряда из-за градиента концентрации, т. е. происходит выравнивание концентрации носителей заряда по объему полупроводника.
Из курса физики известно, что плотность потока частиц при диффузии (число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную направлению градиента концентрации) пропорциональна градиенту концентрации этих частиц:
|
, |
(1.8) |
где – коэффициент диффузии, равный абсолютному значению отношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации.
Знаки правой и левой части в выражении 1.8) различны, т. к. вектор градиента концентрации направлен в сторону возрастания аргумента, а частицы диффундируют туда, где их меньше, т. е. против градиента концентрации.
Поскольку любое направленное движение одноименно заряженных частиц есть электрический ток, то плотность электронной составляющей диффузионного тока может быть получена путем умножения правой части выражения (1.8) на заряд электрона. Электроны диффундируют против вектора градиента концентрации и имеют отрицательный заряд. Вследствие этого направление вектора плотности диффузионного тока электронов должно совпадать с направлением вектора градиента концентрации электронов
|
, |
(1.9) |
где – коэффициент диффузии электронов; – градиент концентрации электронов.
Заряд дырок положителен, вследствие этого направление вектора плотности диффузионного тока дырок должно совпадать с направлением их диффузии, т. е. противоположно направлению вектора градиента концентрации дырок. Следовательно, в правой части должен сохраниться знак минус
|
. |
(1.10) |
где – коэффициент диффузии электронов; – градиент концентрации дырок.
Полная плотность диффузионного тока, обусловленная направленным перемещением носителей электрического заряда из мест с большей концентрацией в места, где их концентрация меньше, определяется как
|
. |
(1.11) |
Одновременно с процессом диффузии неравновесных носителей происходит процесс их рекомбинации. Поэтому избыточная концентрация уменьшается в направлении от места источника этой избыточной концентрации.
Расстояние, на котором при одномерной диффузии в полупроводнике без электрического поля в нем избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в результате рекомбинации в раз, называется диффузионной длинной . Иначе, это расстояние, на которое диффундирует носитель за время жизни.
Диффузионная длина связана со временем жизни носителей соотношениями
|
; , |
(1.12) |
где и – время жизни электронов и дырок соответственно.
Электропроводность в собственных и примесных полупроводниках.
В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.
На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р-n-переходами..
Анализ равновесного р-n-перехода
Высота равновесного потенциального барьера определяется разностью электростатических потенциалов в р- и n- o = Ep – En .
o = Т ln (nnо ррo / ni2)
равновесная высота потенциального барьера определяется отношением концентраций однотипных носителей (электронов или дырок) по обе стороны перехода, на его границах:
o = Т ln (nnо / nрo );o = Т ln (ppо / pno )ширина потенциального барьера в несимметричном переходе:
lo = (2oo) / (qN) ,
ширина равновесного плавного перехода в следующем виде:lo = 3(9oo) / (qN'), где N' — градиент эффективной концентрации. Поскольку градиент одинаков в обеих частях перехода, то и ширина lo делится поровну между n- и р-слоями, т. е. плавный переход симметричен.
Анализ неравновесного р-n-перехода
Если подключить источник ЭДС U между р- и n-слоями, то равновесие перехода нарушится и в цепи потечет ток. Удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев, поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, а значит, изменение высоты потенциального барьера равно значению приложенной ЭДС.
Когда ЭДС U приложена плюсом к р-слою, высота барьера уменьшается
= о – U.
Напряжение такой полярности является прямым. При отрицательном потенциале на p-слое высота барьера увеличивается и знак минус следует изменить на плюс.
ширину неравновесного барьера в виде
l = (2o(o – U)) / (qN).
Эффектом электрического поля называют изменение концентрации носителей (а значит, и проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Слой с повышенной (по сравнению с объемом) концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией — обедненным.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:
где I0 – тепловой обратный ток p-n-перехода; Uд – напряжение на p-n-переходе; jт = k T/ q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов (jк) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, jт = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; q –заряд электрона.
Рис. 2.4. Вольт-амперная характе-ристика p-n-перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи
При отрицательных напряжениях порядка 0,1…0,2 В экспоненциальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е4 » 0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е4 » 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.
По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода характерен режим заданного прямого тока.
Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.
При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I0), а с дальнейшим увеличением Uобр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (Uобр.проб) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.
Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 – лавинный; 2 – туннельный; 3 – тепловой
Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.
Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (j0) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.
Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.
Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (Uобр.проб). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон – дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.
Свойства p-n перехода.
К основным свойствам p-n перехода относятся:
свойство односторонней проводимости;
температурные свойства p-n перехода;
частотные свойства p-n перехода;
пробой p-n перехода.
^ Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).
Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока.
Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода.
P-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n-перехода.
Кроме барьерной ёмкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.
Первый вид ёмкости – это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью.
Второй тип ёмкости – это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.
Суммарная ёмкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей.
На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионная ёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n перехода мало.
Пробой p-n перехода. Iобр = - Io
При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.
Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода. Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим.
Различают следующие виды пробоев:
туннельный (при напряженности поля перехода свыше 106 В/см, до точки «а»);
электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;
тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n-переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.
Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n-переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную – базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n-, р-i, n-i-переходы, а также переходы металл – полупроводник.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Их применяют в цепях управления и коммутации, для развязок в электрических цепях, ограничения выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами.
Основные параметры выпрямительных диодов:
-Максимально допустимое обратное напряжение диода(Uобр.макс)
-средний выпрямленный ток(Iвп.ср.)
-импульсный прямой ток диода(Iвп.и)
-средний обратный ток диода
-среднее прямое напряжение диода(U)
-средняя рассеиваемая мощность диода(Р)
-дифференциальное сопротивление диода(r)
Стабилитрон- полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации изображения. Используют также в качестве ограничителей постоянного или импульсного напряжения, элементов межкаскадной связи, источников эталонного напряжения и д.р.
Основные параметры стабилитронов:
-напряжение стабилизации
-максимальный ток стабилизации
-дифференциальное сопротивление(r)
-Температурный коэффициент напряжения стабилизации(а)
Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.
Светодиод- полупроводниковый диод с одним p-n переходом, способный излучать видимый свет за счет инжекционной электролюминесценции в диапазоне прямого напряжения(1.2-2 В)
Фотодиод- полупроводниковый диод с одним p-n переходом с внутренним фотоэффектом
Принцип работы:
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
Варикап – нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна , поэтому любой полупроводниковый прибор с р-n-переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.
В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).
Основные параметры импульсных диодов:
● общая емкость диода Сд, (доли пФ – несколько пФ);
● максимальное импульсное прямое напряжение Uпр мах;
● максимально допустимый импульсный ток Iпр мах;
● время установки прямого напряжения диода tуст
● время восстановления обратного сопротивления диода tвос
Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода не основных носителей заряда в эмиттер.
В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (ДШ), в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Структура ДШ показана на рис. 3.2 е. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. В ДШ токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции не основных носителей с последующим рассасыванием их при переключении напряжения с прямого на обратное.
Кроме того, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика ДШ напоминает характеристику диодов на основе р-n-переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад (декада – изменение значения в 10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки нА).
отличительными особенностями ДШ являются: высокое быстродействие, малое падение напряжения при прямом смещении (0,3–0,4 В), высокий КПД выпрямления и широкие возможности использования в качестве дополнительных элементов в конструкциях различных транзисторов и других полупроводниковых приборов с целью расширения функциональных возможностей. Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.
БТ называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда: инжекция из Э в Б, экстракция из Б в К.
Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n перехода за счет инжекции носителей заряда.
Режимы работы
Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:
1)Нормальный активный режим - Э-переход включен в прямом направлении, К-переход в обратном направлении
2)Режим насыщения – Э- и К-переходы включены в прямом направлении
3)Режим отсечки - Э- и К-переходы включены в обратном направлении
4)Инверсный активный режим - Э-переход включен в обратном направлении, К-переход включен в прямом направлении.
|
Режимы работ |
Сост pn |
|
|
ЭБ |
КБ |
|
|
Норм актив |
+ |
- |
|
насыщения |
+ |
+ |
|
отсечки |
- |
- |
|
инверсный |
- |
+ |
Схемы включения
|
(1) схема с общей базой |
(2) схема с общим эмиттером |
(3) схема с общим коллектором |
|
Э К Б |
Б К Э |
Б К Э |
.
Биполярный транзистор в ключевых и аналоговых схемах.
В ключевом режиме биполярный транзистор работает в режиме насыщения (замкнутый ключ) или режиме отсечки (разомкнутый ключ). Полезно помнить, что в режиме насыщения оба перехода (коллектор-база и эмиттер-база) открыты, а в режиме отсечки - заперты. В режиме насыщения выходную цепь транзистора можно представить эквивалентным источником напряжения, величина ЭДС которого приводится в справочниках ( - напряжение насыщения). Строго говоря, следует учитывать также внутреннее сопротивление этого источника, величина которого определяется крутизной наклона линии граничного режима, однако, в большинстве практически важных случаев для инженерных расчетов можно ограничиться величиной - . Резисторы и должны обеспечивать надежное запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур и насыщение при высоком уровне управляющего сигнала.
Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура
Иногда применяются БТ с двумя и более эмиттерами при одной общей базе и общем коллекторе.Такие транзисторы называют м ногo э м и т т е р н ы м и .
Для уменьшения сопротивления коллекторной области в ней создают низкоомный скрытый слой -типа.
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Принцип работы транзисторов со структурой металл - диэлектрик — полупроводник (МДП) основан на модуляции сопротивления проводящего канала на поверхности полупроводника под воздействием эффекта поля. МДП-транзисторы со структурой металл- оксид - полупроводник в настоящее время являются основными элементами сверхбольших интегральных схем (СБИС). Они находят широкое применение также в мощных ключевых схемах. МДП-транзисторы являются униполярными приборами, работа которых основана на использовании только основных носителей заряда. Процессы инжекции в МДП-транзисторах не используются.
Основными параметрами МДП-структуры являются длина канала l, ширина канала b, толщина слоя диэлектрика t, глубина переходов n+-областей Wn и уровень легирования подложки NA.
Управляющей цепью в МДП-транзисторах является цепь затвора, управляемой — цепь истока — стока. Управляющая цепь практически не потребляет тока, поскольку в нее входит участок с диэлектриком, поэтому в МДП-транзисторах получается значительное усиление мощности — намного больше, чем в биполярных транзисторах.
Электронные схемы, в которых используется сочетание п- и р-канальных транзисторов, называются комплементарными. МДП- транзисторы, у которых канал появляется только после приложения к затвору потенциала, большего порогового напряжения, называются транзисторами с индуцированным каналом.
Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом.
Принцип работы полевых транзисторов основан на модуляции плошади поперечного сечения, следовательно, и сопротивления проводящего канала в объеме полупроводника под воздействием эффекта электрического поля. Полевые транзисторы являются униполярными приборами. Структура полевого транзистора с р-л-переходом в качестве затвора схематически показана на рис
Усилителями называют устройства, предназначенные для увеличения значений параметров электрических сигналов (напряжения, тока, мощности) за счет энергии источника питания. Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.
Все усилители можно подразделить на два класса — с линейным и нелинейным режимами работы (рис. 3.1).
В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. При увеличении значения напряжения на входе больше некоторого граничного изменения напряжения на его выходе остаются без изменения. Такие усилители применяются в устройствах для преобразования синусоидального сигнала в импульсный сигнал (усилители-ограничители), для усиления импульсов.
Важную роль в работе усилителей играют обратные связи.
Обратная связь — это подача части или всего выходного сигнала на вход усилителя. (Подача всего сигнала — 100% ОС (обратная связь)).
Виды обратной связи в усилителях.
Положительная обратная связь – суммирование входного с выходным сигналом при =0 (разность фаз).
Отрицательная обратная связь – суммирование входного с выходным сигналом при = (разность фаз).
Усилители с отрицательной обратной связью, а генераторы с положительной.
Делят ОС: 1) по току и напряжению. 2) параллельная и последовательная.
Виды межкаскадной связи в усилителях.
Усилители бывают однокаскадные и много каскадные.
Принцип работы усилительного прибора основан на изменении его активного и реактивного сопротивления под воздействием сигнала малой мощности.
Усилители на биполярном транзисторе:
-с общим эмиттером
-с общим коллектором
-с общей базой
Усилители каскада на полевых транзисторах:
-с общим затвором
-с общим истоком
-с общим стоком
Многокаскадные усилители
Операционные усилители
При усилении малых входных сигналов может оказаться, что одного усилительного каскада недостаточно для получения нужного коэффициента усиления. В этом случае задачу решают с помощью многокаскадных усилителей, получаемых путем последовательного соединения отдельных каскадов (рис. 3.9). В многокаскадных усилителях выходной сигнал первого и любого промежуточного каскада служит входным сигналом последующего каскада. Нагрузкой указанных каскадов является входное сопротивление последующего каскада. Входное и выходное сопротивления усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.
В настоящее время усилители применяются преимущественно в интегральном исполнении с непосредственной связью между каскадами.
В многокаскадных усилителях с емкостными связями нагрузкой промежуточного каскада является входная цепь последующего каскада. Число каскадов определяется требуемым коэффициентом усиления. Каскады рассчитывают (выбор и обеспечение режима покоя, расчет по переменному току) в последовательности от конечного каскада к первому.
Для многокаскадных усилителей важными являются амплитудно- частотная, фазо-частотная и амплитудная характеристики. Учет свойств транзистора и влияния конденсатора в случае необходимости производят, исходя из диапазона частот усиливаемого сигнала, чем обеспечивается требуемая полоса пропускания частот усилителя.
Схему рис. 1.23а называют каскадом с общим коллектором (ОК), потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим электродом для входной и выходной цепей каскада. Схема также называется эмиттерным повторителем, т.к. выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора близко по величине входному напряжению ( Uвых = Uвх + Uбэ Uвх ) и совпадает с ним по фазе.
Рисунок 1.23 - Схема усилительного каскада ОК (а) и его схема замещения (б)
Расчет каскада по постоянному току проводят аналогично со схемой ОЭ. Резистор Rэ в схеме выполняет ту же функцию, что и резистор Rк в схеме ОЭ – создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, по цепи базы. Конденсаторы Ср1 и Ср2 являются разделительными, а резисторы R1 и R2 предназначены для задания рабочей точки, причем для повышения входного сопротивления резистор R2 в схему часто на вводят.
Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельно включенными сопротивлениями R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх:
Rвх = R1 || R2 || rвх
Из эквивалентной схемы замещения рис.1.23б можно найти:
Uвх = Iб [rб + (1 +)(rэ + Rэ || Rн)]
а разделив левую и правую часть уравнения на Iб получим:
rвх = rб + (1 +)(rэ + Rэ || Rн)
Если принять, что rэ и rб значительно меньше других составляющих полученного выражения, то входное сопротивление транзистора , включенного по схеме ОЭ
rвх = (1 +)(Rэ || Rн),
а входное сопротивление каскада ОК:
Rвх = R1 || R2 || (1 +)(Rэ || Rн)
При достаточно высокоомном входном делителе и транзисторе с высоким входное сопротивление каскада может достигать десятков-сотен кОм, что является одним из важнейших достоинств каскада ОК.
Коэффициент усиления по току можно определить , используя эквивалентную схему замещения, аналогично каскаду ОК
Ток нагрузки является частью эмиттерного тока транзистора, поэтому:
откуда:
Выразив аналогично схеме ОЭ ток базы через входной ток каскада получаем:
Разделив левую и правую часть уравнения на Iвх имеем:
т.е. коэффициент усиления каскада ОК зависит от соотношений Rвх и rвх, а также Rэ и Rн. Если предположить, что Rвх rвх, имеем;
Таким образом, каскад ОК обеспечивает усиление по току, причем при Rэ = Rк и одинаковых значениях Rн коэффициенты усиления по току в схемах ОК и ОЭ примерно одинаковы. Коэффициент усиления по напряжению аналогично схеме ОЭ может быть определен как:
После подстановки значения КI:
Для оценки коэффициента усиления каскада ОК по напряжению примем Rвх >> Rг и считаем делитель в цепи базы достаточно высокоомным. Это позволяет принять и получить КU 1. Точный расчет дает КU < 1 и в пределе стремится к единице.
Выходное сопротивление каскада ОК представляет собой сопротивление со стороны эмиттера, которое из эквивалентной схемы замещения определяется как:
Выходное сопротивление каскада ОК мало и составляет 10 - 50 Ом, поэтому каскад ОК целесообразно использовать при необходимости согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки.
Работу каскада с ОБ как усилителя легче понять, если представить его как каскад с ОЭ, охваченный 100%-ной параллельной ООС по току. Поскольку здесь нет делителя тока, то весь выходной ток Iк протекает и во входной цепи, т. е. коэффициент передачи тока по цепи ОС βт=1.
Такое представление дает возможность определить параметры каскада с ОБ через параметры каскада с ОЭ с учетом действия ОС.
При любом сопротивлении нагрузки коэффициент усиления по току каскада с ОБ (3)
Из (3) видно, что при Rн=0 коэффициент Kт.д становится максимальным, но меньшим единицы, а при увеличении Rн до бесконечно большого значения он убывает до нуля. Следовательно, такой каскад не дает усиления тока, а наоборот несколько ослабляет его.
Коэффициент усиления по напряжению Кб каскада с ОБ на единицу больше, чем у каскада с ОЭ (при равных параметрах транзистора и Rн):
Соответственно для каскада с общим затвором на ПТ коэффициент усиления напряжения
Коэффициент усиления по мощности каскада с ОБ (4)
В схеме с ОБ коэффициент усиления мощности Крб больше, чем в схеме с ОЭ.
Входное сопротивление транзистора
достаточно мало вследствие потребления большого тока от источника сигнала, и практически не зависит от Rн. Оно существенно меньше, чем входное сопротивление транзистора в каскаде с ОЭ: у маломощных транзисторов Rвх.б составляет несколько десятков Ом, а у мощных — меньше 1 Ом.
При включении ПТ по схеме с ОЗ входное сопротивленяе Rвх.з=1/S.
Выходное сопротивление каскада с ОБ несколько больше, чем у каскада с ОЭ:
Значение верхней границы полосы пропускания f'в каскада с ОБ и каскада с ОЗ наибольшее по сравнению с другими схемами и приближается к fт. С увеличением Rи (при Rвх=const) действие ООС усиливается, что способствует расширению полосы пропускания, верхнюю границу которой можно принять равной fт.
Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.
Если БТ разделяется на два типа - p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.
Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента ПТ используется в области усиления.
В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается напряжение смещения , которое определяет ток покоя стока .
Координаты рабочей точки определяются соотношениями:
где - граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30),
где - сопротивление нагрузки каскада по переменному току;
где - напряжение отсечки, - ток стока при .С помощью резистора , помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС , способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения .
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
Зачастую, для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, а так же большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи (ООС), охватывая ею операционный усилитель(ОУ). Однако дифференциальный усилитель на базе одного ОУ не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких Мом.
Диф. Усил. На базе ОУ
дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами
Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель постоянного тока с большим стабильным коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход (рис 3.10).
Название ОУ связано с первоначальным их применением главным образом для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др.) Благодаря развитию интегральной технологии отрылись более широкие схемотехнические возможности использования ОУ.
ОУ используется как многоцелевые элементы при построении аппаратуры различного назначения. Они применяются в усилительной технике, генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д.
Для достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:
-высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;
-малым напряжением смещения нуля;
-малыми входными токами;
-высоким входным и низким выходным сопротивлением;
-высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС);
-амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот -20дБ/дек
Блок 1 — необходим для устранения дрейфа нуля.
Блок 2 — обеспечивает большой коэффициент усиления.
Блок 3 — формирует сигнал на выходе и обеспечивает низкое выходное сопротивление.
Параметры ОУ:
-напряжение смещения нуля Uсм;
-температурная чувствительность напряжения смещения нуля dUсм/dT;
-ток смещения ∆Iвх;
-средний входной ток Iсрвх.
КU- коэффициент усиления ОУ КU=UВЫХ / (UВХ2- UВХ1), RВХ- входное сопротивление (БТ- входной каскад выполнен на биполярных транзисторах, ПТ- на полевых транзисторах), RВЫХ- выходное сопротивление, f1- частота единичного усиления, т. е. частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы, KОС СФ- коэффициент ослабления синфазного сигнала
KОС СФ= КU /КU СФ. КU СФ= UВЫХ/ UВХ. UВХ= UВХ1= UВХ2.
Пример операционного усилителя проиллюстрирован на рис. 3.13.
Питание схемы осуществляется от двух источников UBX1, UBX2 с одинаковым напряжением и разными знаками.
Входной усилительный каскад выполнен на транзисторах Т1 и Т2 по дифференциальной схеме. Выходы первого каскада связаны с входами второго каскада на транзисторах Т5 и Т6 также по дифференциальной схеме. Резистор в цепи коллектора транзистора Т5 отсутствует, так как выходной сигнал второго каскада снимается только с коллектора транзистора Т6. Источник стабильного тока во втором дифференциальном каскаде не используется.
Требуемая стабильность суммарного эмиттерного тока транзисторов Т5 и Т6 достигается с помощью резистора R5. Падение напряжения на этом резисторе повышает потенциал эмиттеров. Третий усилительный каскад выполнен на транзисторах Т7 и Т8. Выход его связан с транзистором T9, на котором реализован выходной эмиттерный повторитель. Построение третьего усилительного каскада таково, что транзисторы Т7 и Т8 представляют собой управляемые элементы входного делителя эмиттерного повторителя. Управление Т7 производится по цепи базы выходным сигналом второго каскада, управление транзистором Т8 - по цепи эмиттера напряжением на резисторе R12.
Транзистор Т8 входит в контур положительной обратной связи, позволяющей обеспечить высокий коэффициент усиления третьего каскада.
Очевидно, максимальное выходное напряжение отрицательной полярности будет близко к —Ек , а максимальное напряжение положительной полярности — к +Ек.
Амплитудные (передаточные) характеристики приведены на рис. 3.14.
Вышеуказанные характеристики представлены в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоя из горизонтального и наклонного участков. Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму выходного каскада (эмиттерного повторителя). На этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется максимальными напряжениями близкими к напряжении источника питания. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления операционного усилителя.
Понятие "обратная связь". В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве "системы" может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем - за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.
Отрицательная обратная связь - это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.
Обратная связь может быть и положительной; ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.
В большинстве случаев, рассматривая схемы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным входом. Условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.
Важнейшие правила
которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи.
Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а
сформулируем правило I:
Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.
Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток;
сформулируем правило II:
Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Инвертирующий усилитель
Рассмотрим схему на рис. 3. Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные правила:
1. Потенциал точки B равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки A также равен потенциалу земли.
2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых, б) падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх.
3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим Uвых/R2 = -Uвх/R1, или коэффициент усиления по напряжению = Uвых/Uвх = R2/R1. Позже вы узнаете, что чаще всего точку B лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.
Чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан некоторый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резистор R1 имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 - 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В. Что произойдет? Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.
Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.
Неинвертирующий усилитель
Рассмотрим схему на рис. 4. Анализ ее крайне прост: UA = Uвх. Напряжение UA снимается с делителя напряжения: UA = Uвых R1 / (R1 + R2). Если UA = Uвх, то коэффициент усиления = Uвых / Uвх = 1 + R2 / R1. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.
Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения изменяющегося аналогового входного сигнала с опорным напряжением. Он имеет два устойчивых состояния равновесия U+вых макс и U-вых max. Переход из одного состояния в другое происходит скачком при равенстве напряжений на двух входах ОУ. Компаратор называют однопороговым элементом сравнения.
На рис. 4.4 показаны входные напряжения компаратора. Компаратор переключается в момент равенства Uвх1=Uвх2 выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Ширина этих импульсов при заданной амплитуде синусоиды зависит от величины Uвх2.
Таким образом, простейший компаратор может служить преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное.
Наряду с простейшей схемой компаратора находит широкое применение схема компаратора с ПОС, называемая также двухпороговым элементом или триггером Шмитта.
Триггер Шмитта имеет два устойчивых состояния равновесия. Однако за счет наличия ПОС схема имеет два порога срабатывания (гистерезисная передаточная характеристика).
Рассмотрим принцип работы данного устройства при значительном отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ Uвых=Uвых макс. Напряжение на прямом входе вызвано воздействи-ем Uвых и U0.
реключение компаратора, процесс опять будет развиваться регенеративно, и выходное напряжение практически мгновенно достигнет значения U-вых. шах
Таким образом, передаточная характеристика имеет гистерезисный характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении Uвх происходит при двух разных напряжениях U.1 и U.2 Ширина петли гистерезиса (U.1 - U.2) увеличивается с увеличением отношения R1/R2
Вольт-амперная характеристика триггера Шмитта представляет собой прямоугольную петлю гистерезиса.
Простейшая структура триггера Шмитта — это два последовательно подключенных инвертора, охваченные резистивной обратной связью. Скорость нарастания выходного сигнала не зависит от скорости нарастания входного сигнала, для данной технической реализации является величиной постоянной.
Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор может быть выполнен на транзисторах, ОУ или на логических элементах. Рассмотрим схему мультивибратора на ОУ (рис.16.3а). Диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 16.3б.
В схеме рис. 16.3а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС. При переключениях компаратора на его выходе формируются напряжения Uвыхm (оно открывает диод D1) и -Uвыхm (оно открывает диод D2).
Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют две интегрирующие цепи. Цепь заряда конденсатора R1C включена, когда открыт диод D1. Цепь разряда конденсатора R2C включена, когда открыт диод D2. Источником напряжения заряда и разряда конденсатора является выход ОУ. Нагрузкой интегрирующих цепей является инвертирующий вход ОУ.
Включим питание ОУ в момент времени t1. Выходное напряжение ОУ Uвых может отклониться как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Пусть Uвых получила положительное приращение DUвых. Через цепь ПОС R3R4 это приращение подается на прямой вход ОУ, усиливается им и, в свою очередь, вызывает приращение DU/вых. Процесс развивается лавинообразно. В результате в момент t1 на выходе ОУ напряжение скачком принимает значение .
Положительное напряжение ОУ открывает диод D1. Начинается заряд конденсатора С через резистор R1. Скорость заряда определяется постоянной времени . Нарастающее по экспоненте напряжение конденсатора UC подается на инвертирующий вход ОУ.
На прямой вход ОУ через цепь ПОС R3R4 подается напряжение UOC
.
В момент времени t2 напряжение на конденсаторе UC достигает значения U0С. Происходит переключение компаратора. ОУ скачком переходит в область отрицательного насыщения, когда .
Одновременно (в момент времени t2) скачком изменяется напряжение обратной связи до величины
,
диод D1 закрывается, а диод D2 открывается. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор R2 до напряжения . Скорость перезаряда определяется постоянной времени . Когда напряжение на конденсаторе UC достигает значения – UOC (момент времени t3) происходит регенеративное переключение компаратора. Далее процессы периодически повторяются.
В установившемся режиме (от момента t2 и далее) напряжение конденсатора изменяется от UОС до - UОС и обратно. На диаграмме рис. 16.3б интервал времени t2 – t3 определяет длительность паузы, а интервал t3 – t4 – длительность импульса, причем
(16.5)
(16.6)
Период повторения
(16.7)
Скважность
(16.8)
Выражения (16.5) – (16.8) позволяют выполнить расчет параметров мультивибратора. Кроме того, они позволяют определить способы регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты скважность не должна изменяться. Следовательно, R1, R2 целесообразно оставлять неизменными. Удобно частоту регулировать изменением R3 или R4.
При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R3 и R4, а также (R1 + R2) должны быть постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки скважности R1 и R2 следует выполнять как составляющие одного потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D1 и D2, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.
Наряду с мультивибраторами широкое применение находят одновибраторы. Это устройства, предназначенные для формирования одиночного прямоугольного импульса заданной длительности при воздействии на вход короткого запускающего импульса. Такие схемы часто называют ждущими мультивибраторами. Ждущие мультивибраторы применяются для формирования импульсов заданной длительности или в качестве узла задержки импульсов на заданное время.
Схема ждущего мультивибратора(одновибратора) приведена на рис. 16.4а. На рис. 16.4б приведены диаграммы, поясняющие принцип работы.
В схеме рис. 16.4а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС. Конденсатор С и резистор R образуют интегрирующую цепочку. Источником питания этой цепочки служит выходное напряжение компаратора, нагрузкой – инвертирующий вход ОУ. Диод D1 служит для фиксации начального напряжения на конденсаторе С – UC (0). Конденсатор С5 и резистор R5 образуют дифференцирующую цепочку. Диод D2 пропускает на прямой вход ОУ только положительные импульсы. Эти импульсы служат для запуска ждущего мультивибратора.
В исходном состоянии . Компаратор находится в отрицательном насыщении, т. е. . Отрицательным напряжением диод D1 открыт и поддерживает на конденсаторе С1 напряжение UC = 0. Напряжение обратной связи отрицательное, причем
.
Так как , то исходное состояние устойчиво, одновибратор может находиться в нем как угодно долго.
Пусть в момент времени t1 с выхода дифференцирующей цепочки на прямой вход ОУ поступает короткий положительный импульс, амплитуда которого больше амплитуды . Напряжение на прямом входе становится положительным и компаратор регенеративно переключается в область положительного насыщения, когда . Этим напряжением диод D1 закрывается, а конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R. На прямой вход ОУ подается положительное напряжение обратной связи
Этим напряжением ОУ поддерживается в состоянии положительного насыщения. Значит входной импульс необходим только для срабатывания компаратора и может быть очень коротким.
Скорость заряда конденсатора С1 определяется постоянной времени RC1, которая и задает длительность формируемого импульса - . Этап формирования импульса завершается в момент времени t2, когда напряжение на конденсаторе достигает значения . В этот момент компаратор регенеративно переключается в область отрицательного насыщения. Длительность формируемого импульса определяется выражением
(16.9)
После переключения компаратора в область отрицательного насыщения, напряжение на конденсаторе скачком не изменяется. Под воздействием UC диод D1 остается закрытым. Поэтому после момента времени t2 начинается этап восстановления исходного состояния, когда конденсатор С1 разряжается через резистор R от источника - . Скорость разряда определяется постоянной времени RC1. В момент времени t3 напряжение на конденсаторе . В этот момент открывается диод D1, который препятствует дальнейшему уменьшению напряжения на конденсаторе С1. Исходное состояние восстановлено. Схема готова к поступлению нового входного импульса. Длительность этапа восстановления определяется выражением
(16.10)
Следовательно, максимально допустимая частота входных импульсов для ждущего мультивибратора равна
(16.11)
ГЛИН представляют собой электронные устройства, выходное напряжение которых в течение некоторого времени изменяется по линейному закону. Часто такое напряжение меняется периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы (рис. 4.10, а, б). Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением. Если меняется от максимального значения к минимальному - линейно-падающим.
ГЛИН нашли широкое применение в отклоняющих системах осциллографов, телевизоров, в радиолокации, в преобразователях “напряжение-временной интервал”, широтно-импульсных модуляторах и т.д.
ГЛИН строятся на принципе заряда и разряда конденсатора. Схема простейшего ГПН, работающего по принципу заряда конденсатора, показана на рис. 4.10, в. Она состоит из времязадающего конденсатора С, резистора Rк и транзисторного ключа VT1. На вход транзисторного ключа подается последовательность прямоугольных импульсов с заданным интервалом между импульсами и длительностью (рис. 4.10, г). Когда на базе транзистора нулевое напряжение (промежуток времени между импульсами), транзистор закрыт и происходит заряд конденсатора через резистор Rк. Если постоянная времени цепи Rк C достаточно большая, т.е. существенно больше периода следования прямоугольных импульсов, напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Заряд конденсатора продолжается до поступления импульса, открывающего транзистор VT. Когда транзистор открывается, начинается процесс разряда конденсатора. Интервал времени между отпирающими импульсами должен быть достаточным для полного разряда конденсатора С.
Одним из самых важных параметров ГЛИН является коэффициент нелинейности. Для определения воспользуемся известным утверждением, что линейная функция характеризуется постоянством производной во всех её точках, поэтому отклонение от линейного закона можно оценить коэффициентом нелинейности. Нелинейность определяется максимальным отклонением реальной формы сигнала от идеальной линейной формы.
, где ic - ток заряда конденсатора
Простейший генератор линейного напряжения характеризуется также коэффициентом использования напряжения источника питания
= Um / Eп.
Чем лучше линейность пилообразного напряжения, тем меньше амплитуда напряжения ГЛИН.
Логическая операция - это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную.
Логическим элементом называется электрическая схема, выполняющая какую-либо логическую операцию (операции) над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращающая результат операции в виде выходного уровня напряжения. Так как операнды логических операций задаются в двоичной системе счисления, то логический элемент воспринимает входные данные в виде высокого и низкого уровней напряжения на своих входах. Соответственно, высокий уровень напряжения (напряжение логической 1) символизирует истинное значение операнда, а низкий (напряжение логического 0) - ложное. Значения высокого и низкого уровней напряжения определяются электрическими параметрами схемы логического элемента и одинаковы как для входных, так и для выходных сигналов. Обычно, логические элементы собираются как отдельная интегральная микросхема. К числу логических операций, выполняемых логическими элементами относятся конъюнкция (логическое умножение, И), дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ), отрицание (НЕ) и сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ). Рассмотрим основные типы логических элементов.
Элемент И
Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкция) над своими входными данными и имеет от 2 до 8 входов и один выход (как правило, выпускаются элементы с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами). На рис. 1. изображены условные графические обозначения (УГО) логических элементов И с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы И обозначаются как NИ, где N - количество входов логического элемента (например, 2И, 3И, 8И и т.д.).
Рис. 1
Элемент ИЛИ
Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкция) над своими входными данными и, также как и логический элемент И, имеет от 2 до 8 входов и один выход. На рис. 2. изображены УГО логических элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы ИЛИ обозначаются также, как и элементы И (2ИЛИ, 4ИЛИ и т.д.).
Рис. 2
Элемент НЕ (инвертор)
Логический элемент НЕ выполняет операцию логического отрицания над своими входными данными и имеет один вход и один выход. Иногда его называют инвертор, так как он инвертирует входной сигнал. На рис. 3 изображено УГО элемента НЕ.
Рис. 3
Триггер - это устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое.
Можно выделить две основные области их применения: формирование импульсов и работу в качестве элементарных автоматов цифровых устройств.
Как формирователи, триггеры позволяют получать стандартные по амплитуде прямоугольные импульсы с малой длительностью фронта и среза, практически не зависящей от скорости изменения управляющего сигнала. В роли цифровых автоматов с двумя внутренними состояниями различные типы триггеров выполняют функции ячеек памяти, каскадов задержки, пересеченных ячеек и т. д.
Триггер, как элементарный конечный автомат, характеризуется следующими свойствами:
-число внутренних состояний – два (единица и нуль), что соответствует одной внутренней переменной, обозначаемой ----для триггеров буквой Q;
-число выходных переменных y – одно, значение переменной y совпадает со значением Q;
-число входных переменных x зависит от типа триггера.
Наряду с выходом Q, называемым прямым, триггер имеет и инверсный выход . Состояние триггера определяется значением его прямого выхода.
Все известные на сегодняшний день триггеры по функциональному признаку можно разделить на четыре основных типа:
RS-триггеры – триггеры с двумя установочными входами;
D-триггеры – триггеры задержки с одним входом;
Т-триггеры с одним счетным входом;
универсальные триггеры с несколькими входами.
Как и любые цифровые автоматы, триггеры могут быть асинхронными и синхронными.
Различают также триггеры со статическими и динамическими входами. Входы, управляемые потенциальными (уровнями напряжений), называются статическими (включая и сигнал синхронизации).
Причем, если триггер переключается сигналами логической единицы, то его называют триггером с прямым управлением, в противном случае – триггером с инверсным управлением.
Входы же управляемые перепадами потенциалов называют динамическими.
Асинхронный RS-триггер. В простейшем исполнении триггер это симметричная структура из двух логических элементов ИЛИ–НЕ либо И–НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Схема триггера на элементах ИЛИ–НЕ и его условное обозначение приведены на рис. 28.
Рис. 28. Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ–НЕ: а – логическая структура; б – условное обозначение
Этот триггер (бистабильная ячейка) обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информацион-ными или логическими. Одному из выходов присвоено наименование прямого, его обозначают буквой Q, а другому – наименование инверсного и обозначают .
Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q = 1, = 0), называют входом S (от английского Set – установка), а в нулевое (Q = 0, = 1) – входом R (reset – возврат).
Синхронный RS-триггер. Известно, что из-за задержек переключения логических элементов могут возникнуть ложные состояния. Устранить это помогает временное стробирование. Временное стробирование обеспечивается синхронизирующими (тактовыми) импульсами, поэтому синхронный RS-триггер кроме информационных входов R и S имеется вход C, на который подается синхронизирующий сигнал (рис. 32).
Такой триггер функционирует как RS-триггер только при условии наличия синхронизирующих импульсов. В противном случае, т.е. при отсутствии синхронизирующих импульсов, состояние его сохраняется неизменным Qn+1 = Qn , какие бы сигналы ни подавались на информационные входы, причем возможна подача сочетания R = S = 1 (или R = S = 0 для триггера с инверсными входами).
Рис.32. Синхронный RS-триггер с прямыми статическими входами на элементах И-НЕ и его условное обозначение
Специфика синхронных триггеров со статическим управлением по входу синхронизации такова, что в течение времени действия тактового импульса смена сигналов на информационных входах вызывает новые срабатывания. Следовательно, синхронные триггеры со статическим управлением при активном состоянии тактового входа ведут себя подобно асинхронным. Во многих случаях это свойство является недостатком, так как может оказаться причиной сбоев в цифровых устройствах.
D-триггер
Функциональная особенность триггеров этого типа состоит в том, что сигнал на выходе Q в такте (n+1) равен значению сигнала на входе D в предыдущем такте n. Другими словами, D-триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D. Триггер принял свое название от первой буквы английского слова delay – задержка. Логическое уравнение D-триггера имеет вид:
.
Асинхронный D-триггер не применяется, так как его выход просто повторяет входной сигнал после окончания переходного процесса, поэтому все реальные D-триггеры тактируемые и функционируют в соответствии с табл. 8. Смена состояний триггера происходит под действием тактового импульса (С=1), т. е. хранение информации в D-триггере обеспечивается цепями синхронизации. Управление по тактовому входу может быть статическим, динамическим, а также двухступенчатым.
Матрица переходов D-триггера приведена в (табл. 9)
Структурная логическая схема простейшего D-триггера со статическими входами и его условное обозначение представлены на рис.34.
а б
Рис.34. Пример D-триггера со статическим управлением уровнем С = 1 – а и его обозначение – б
T-триггер
Триггер Т -типа, или счетный триггер, имеет один информационный Т-вход. Смена его состояний происходит всякий раз, когда входной сигнал меняет свое значение в определенном направлении. В зависимости от того, какой перепад напряжения используется для управления (от нуля к единице или от единицы к нулю), различают Т-триггеры с прямым или инверсным динамическим управлением (-триггер).
По способу ввода входной информации Т-триггеры могут быть асинхронными и синхронными.
Управление Т-триггера имеет вид
.
JK-триггер
Функциональная особенность JK-триггеров состоит в том, что при всех входных комбинациях, кроме одной , они действуют подобно RS-триггеру, причем вход J играет роль входа S, а K-вход соответствует -входу. При входной комбинации в каждом такте выходной сигнал меняет свое значение на противоположное. JK-триггеры не имеют неопределенных состояний.
Регистры – это функциональные устройства, предназначенные для приёма и запоминания n-разрядного слова (кода), а также для выполнения определённых операций над этим словом. Регистр представляет собой совокупность триггеров со схемой управления входными и выходными сигналами. Разрядность регистра соответствует количеству используемых
в нём триггеров. Каждый триггер регистра имеет прямой и инверсный выходы, используемые для получения прямого и инверсного кодов. С помощью регистров можно осуществить операции преобразования информации из одного вида в другой. Например, преобразовать последовательный код (слово) в параллельный, а также некоторые
логические операции, такие, как поразрядное логическое сложение, умножение и т.д.
Классификация:
- по виду выполненных операций над словами: регистры для приёма,
передачи и сдвига информации;
- по способу приёма и передачи информации: последовательные,
параллельные и параллельно-последовательные;
- по количеству каналов: одно- и парафазные. В однофазных регистрах
информация поступает только по прямому или только по
инверсному каналу, а в парафазных – по обоим;
- по количеству тактов управления, необходимых для записи слова:
одно-, двух- и многотактные.
Типичными является следующие операции:
Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.
Рассмотрим накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации (рис. 16.18). Основой регистра являются D-триггеры, которые на своих выходах повторяют значения сигналов на входах Х1 – Х4 (информационные входы) при логическом сигнале 1 на входе синхронизации (т.е. осуществляется параллельный ввод входной информации в регистр).
Рис. 16.18. Накопительный регистр с параллельными вводом
и выводом информации
На четырех двухвходовых элементах «И» реализованы схемы совпадения, входные сигналы которых совпадают с выходными сигналами триггеров в том случае, когда на вход Y2 подана логическая единица. Таким образом осуществляется параллельный вывод информации. В качестве примера рассмотрим микросхему регистра К155ИР15. Приведем условное обозначение и таблицы внутренних и выходных состояний (рис. 16.19).
Сумматор — логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение двоичных кодов двух чисел. При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учёт знаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное.
По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров различают:
четвертьсумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;
полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом - перенос в следующий (старший разряд);
полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом - перенос в следующий (более старший разряд).
По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на:
последовательные, в которых обработка чисел ведётся поочередно, разряд за разрядом, на одном и том же оборудовании;
параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование