Электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

1. Электроника микроэлектроника и наноэлектроника

Электроника
микроэлектроника

2. Литература

1. В. К. Захаров, Ю. И. Лынарь.
«Электронные устройства автоматики и телемеханики»
1984г.
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.

3. Тема: Электропроводность полупроводников

Металлы, диэлектрики, полупроводники
Ковалентные связи
Энергетические диаграммы
Е
Зона
проводимости
Е Зона
Зона
проводимости
проводимости
Еп
Запрещенная
Валентная
зона
металлы
Е
зона
Ев
Валентная
зона
=
Еп ─
Еп
Ев
Валентная
зона
Если ∆Еп/п< 3эВ,
то это п/п
п/п
диэлектрики
∆Ед
∆Ед> ∆Еп/п
Ев
∆Еп/п =
Еп ─
Ев
Собственная электропроводность
Ток дрейфа (i-типа)
I
i
др
-
+
I
др
= Iп + Iр
+ Е 3

4. Примесная электропроводность

1. Дырочная.
Si
In – акцепторная примесь
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= kT/q ≈ T/11600 (B)
φТ=300K≈ 0,025 (B)
k – постоянная Больцмана
q – заряд электрона
T – абсолютная температура
4

5. Тема: Электрические переходы

I. Определение: электрические переходы
II. Типы переходов.
1. металл – п/п
а) невыпрямляющий
б) выпрямляющий
1 а.
М
n
−
−
2. П/п – п/п
а) p – n (n – p)
б) p+ – p (n+ – n)
в) p – i (n – i)
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

6. 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
пр
Евнут
p
+
Евнеш
− +
− +
− +
+
Е
−
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
I
Rp
n
Схема замещения
Rn
Rp
Если Евнеш = Евнут, то толщина объемных зарядов = 0
При Евнеш > Евнут через переход потечет ток Iпр
пр
-
I = I (e E
/φt
пр
пр
0
- 1)
E=φt*ln(Iпр/I0 + 1)
6

7.

Обратное смещение
I
Евнут
обр
p
Евнеш
n
− +
− +
− +
-
Е
обр
Iобр= I0 (e
-Eобр/φt
- 1)
Поля складываются
I0 e
+
-E/φt
─ диффузионный ток
─ тепловой ток
I0
ВАХ перехода
Iпр
I
T1
-Iобр
rдиф = dU/dI =
T2
U
-I0
T1 > T 2
При Iпр >> I0
dφT * ln(Iпр/I0 + 1)
dIпр
=
φT
Iпр + I0
≈
φT
Iпр
Сопротивление постоянному току
φT
U
Rпр=
=
Iпр
Iпр * ln(Iпр/I0 + 1)
|U|
; при |U| >> φT
Rобр=
I0
7

8.

Пробой перехода
I
U
Туннельный, лавинный, тепловой
Обратимый, необратимый
тепловой
лавинный
туннельный
Емкость перехода
1. Барьерная (Сбар)
p
n
− +
− +
+
−
-
Е
I = Сбар
dE
dt
=
+
dQпер
Сбар
dt
Вольт-фарадная
зависимость
Сбар= (Е)
0
E
2. Диффузионная (Сдиф) – связана с изменением концентрации свободных
носителей заряда при прямом смещении
8

9.

Переходные процессы в p-n переходе
1. Включение
E
u1
0
I
u0
t1
t
Iпр
0
tф – длительность фронта; определяется временем
изменения концентрации неосновных носителей в базе
при прямом смещении
t
tф
Iобр
2. Выключение
E
0
u1
uпер(t) – зависимость падения U на переходе от
u0
t2
времени, при запирании
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

10.

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= I0(e
φt
- 1)
τб – омическое сопротивление
базы
E = φt ln (
Iпр
I0
Для малых Iпр
+ 1) + Iпрτб
E ≈ φt ln (
Iпр
I0
+ 1)
10

11.

Выпрямительные диоды
(Сплавные, планарные)
- предельное Uобр
- прямое падение Uпр
- cредний Iпр
- рассасываемая мощность Pд
Стабилитроны
vd
Iстмакс – максимальный ток
Uстмакс– номинальное напряжение стабилизации
Iстмин – минимальный ток
Iстн – номинальный ток
αст – средний температурный коэффициент стабилизации
αст (% / град)
αст =
0,1
Лавинный пробой αст > 0
0,05
-0,05
-0,1
6,3В
U
Туннельный пробой αст < 0
δUст
Uст ∆T
Uст – напряжение стабилизации
δUст – изменение Uсб при изменении
температуры на ∆T
11

12.

Прецизионные стабилитроны
П1
П2
П3
|∆U2| ≈ |∆U3| ≈ |∆U|
+
─
∆U1
-∆U2
При изменении T: ∆U1─ ∆U ≈ 0
αст = (-1 ÷ 20)·10
5
-∆U3
1
град
Двуханодные стабилитроны
П1
I
П2
vd
─Uст
vd
U
+Uст
Стабисторы
I
vd
Uст≈1,4В
Uст≈0,7В
U
Uст
Используется кремний с высокой концентрацией
12

13.

Варикапы
─
vd
(кремний, арсенид галлия)
Параметры:
+
Сд = Сбар (1÷3·102 пФ)
Сн – номинальная емкость
ТКЕ =
– температурный коэффициент
емкости
δСн
Сн ∆Т
Кс =
Смак
– коэффициент перекрытия
Смин
Q – добротность
Туннельные диоды
I
Iд = Iдиф + Iт
Iд
Iдиф
U1
vd
U2
U
Параметры:
U1(I1) – напряжение (ток) максимума
U2(I2) – напряжение (ток) минимума
Iпрмакс – предельный прямой ток
Iт
Uобрмакс – максимальное обратное U при
предельном обратном токе
13

14.

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 – фотоЭДС, 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
Е1> Е2
Е1
Е2
При Ф = 0 Iф = I0
Спектральная характеристика
S(λ)
S(λ) – чувствительность
λмин – 300 нм
Ф
С внешней ЭДС
ВАХ
λмин
λмакс λ
λмакс – 750 нм
14

15.

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 - 0,4В
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

16.

R
б)
+
-
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) = I0 (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
А’’
E + Um Sin ωt = UR + UD = ID·R + UD
D
(E – Um) E
ID = f (UD)
б) решение для большого сигнала
(E<<Um)
R
UC
Um = UA’ – UA = UA – UA”
f (UD)
(Е+Um)/R
vd
UC = Um Sin ωt
(E + Um)
U
Um\R
-Um
B
A
IA >> IB
+Um
-Um\R
16

17. Тема: транзисторы

1. Биполярные
Э
2. Полевые (униполярные)
Структура БТ
П1 П2
p
n
Э
К
n
IЭ
IК
n
К
n
IЭ
IК
IБ
Б
П1 П2
p
Б
IБ
П1 – эмиттерный переход; П2 – 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
nnэ >> PPБ ; nnк >> PPБ
Через ЭП - инжекция
К
+
Rн
В базе диффузия и дрейф
Через КП – электрическое поле
17

18.

IЭ = IК + IБ
– уравнение токов
IК = αIЭ
– уравнение переноса
∆IЭ ≈ ∆IК;
0< α<1;
I
∆Pвх = ∆IЭ· ∆UЭБ = ∆IЭ2 · rЭд
∆Pвых = ∆IК· ∆UН= ∆IК2 · Rн
∆Pвых
KP =
∆Pвх
∆IK2 RН
RН
=
≈
∆IЭ2 rЭд
rЭд
α ≠ 1 за счет рекомбинации
αUКБ
ЭП
rКд= αI
К
αUЭБ
>> rЭд= αI
Э
U
КП
Если RН > rЭд, то Kp > 1
Схема включения БТ
Uвых
IЭ
IК
VT
-
Rн
UЭБ
UКБ
+
Uвых
Rн
IБ
+
U
-
IК
+
UКЭ
VT
БЭ
-
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

19.

αI I2
α N I1
>>
<<
Модель БТ Эберса - Молла
n–p–n
IЭ
К
Э
ЭБ
-
I1
КБ
UЭБ
Б
+
I2
-
UКБ
+
Для симметричных αN = αI
αN –
αI –
Для реальных БТ αN >> αI
UЭБ
I1 = IЭ’ (e φТ – 1)
UКБ
I = I ’ (e φТ – 1)
IЭ = I1 – αI I2
IК = αNI1 – I2
IБ = IЭ – IК
2
К
Если ЭП замкнут накоротко, то IЭ = 0 и I1 – αI I2 = 0; I1 = αI I2
При условии, что |UКБ| >> φT I2 = –IK’;
IK = αN I1 – I2 = αN αI I2 – I2 = –αN αI IK’ + IK’ = IK0
IK0
IЭ0
IK’=
IЭ’=
1 – αN αI
1 – αN αI
Подставляем в исходную систему
UЭБ
IЭ = IЭ’ (e φТ – 1) – αI IК’ (e
UЭБ
IК = αN IЭ’ (e φТ – 1) – IК’ (e
UКБ
φТ – 1)
UКБ
φТ – 1)
IБ = IЭ – IК
1. Выходные характеристики (IK = f (UКБ))
Второе уравнение делим на αN и вычитаем из первого
IЭ –
IК
αN
UЭБ
1
= (e φТ – 1) IK’ ( α – αI)
N
IК = αNIЭ –
UКБ
IК0 (e φТ – 1)
IЭ – параметр
19

20.

2. Входные характеристики (IЭ= f (UЭБ))
IK0
IK ’
αN
Находим из 1-го уравнения системы с учетом
αI = IЭ = 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
IЭ2 > IЭ1
IЭ1
пробой КП
UKБ > 0
UKБ = 0
UKБ < 0
IЭ = 0
UKБ < 0
режим
насыщения
0
UKБ > 0
UKБ
0
UЭБ
активный
режим
Упрощение характеристик
Так как |UКБ| >> φT, то
UКБ
(e φТ << 1)
IK ≈ αN IЭ + IК0
IЭ
IЭ
=
φ
ln
(1 – αN αI)
Также 1 – αN ≈ 0, т. к. αN → 1
Т
IЭ ’
IЭ 0
Так как IК в реальных транзисторах зависит от UКБ, то используют следующую выходную характеристику
UKБ
IK = α IЭ + IК0 + I
Кд
UЭБ ≈ φТ ln
Рост IK с увеличением UKБ связан с эффектом Эрли
20

21.

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 + IК0 = α (IБ + IК) + IК0
β
IБ – параметр
IK = β IБ + (1 + β)IК0
α= 1+β
α
1
IK = 1 – α IБ + 1 – α IК0
При α = αN → 1; β → ∞
IK
пробой
1) в (1 + β) раз более чувствительна к температуре
насыщение
активный
UKЭ
IK = β IБ + (1 + β)IК0 +
UКБ
Э
rКД
– с учетом эффекта Эрли
21

22.

Физические параметры БТ
1. Дифференциальное сопротивление переходов
φТ
IЭ
Э
rЭД
=
Схема с ОЭ
(IЭ >> IЭ0 )
d UКБ
1
≈
β
d IК
IБ dd U
КБ
φТ
IЭ
Б
rЭД
=
Схема с ОБ
Э
rКД
=
Б
rКД
=
1
α
IЭ dd U
КБ
=
1+β
β
IБ dd U
КБ
Б
Э
rЭД
= rЭД (1 + β)
Э
2. Объемные сопротивления
rЭ
Б
3. Коэффициент обратной связи
Э
d UБЭ
d UКЭ
К
rБ
rБ >> rК >> rЭ
КОС =
rК
IЭ = IБ (1 + β)
β
α= 1+β
Б
КОС =
d UЭБ
d UКБ
КОС ≈ 10-3 ÷ 10-4
4. Емкость переходов СК, СЭ (СК >> СЭ)
Определяет динамические свойства транзистора
IЭ
t
IK
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 IЭ0, IК0 (IК0 >> IЭ0)
6. Предельно допустимые параметры UЭБдоп, UКБдоп, UКЭдоп, IКдоп , PКдоп
ƒα =
β
ƒβ
α
ƒα >> ƒβ
22

23.

I1
4-х
U1
h – параметры БТ
I2
U2
полюсник
ə U1
ə U1
ΔI1 +
ΔU2
ə I1
ə U2
ə I2
ə I2
= ə I ΔI1 + ə U ΔU2
1
2
ΔU1 =
ΔI2
h11 =
ə U1
ə I1
– Rвх при U2 = 0; (КЗ на входе)
h21 =
ə I2
ə I1
h12 =
ə U1
ə U2
– KOC при I1 = 0; (XX на входе)
h22 =
ə I2
ə U2
ΔU1 = h11 ΔI1 + h21 ΔU2
ΔI2 = h21 ΔI1 + h22 ΔU2
– коэффициент передачи тока при
U2 = 0; (КЗ на входе)
– выходная проводимость при
I1 = 0; (XX на входе)
Связь физических и h – параметров
1. Входное сопротивление
2. Коэффициент передачи тока
∆ UЭБ
= rЭД + (1 – α) rБ
∆ IЭ
∆ UБЭ
h11Э =
= (β + 1) rЭД + rБ
∆ IБ
h11Б =
h21Б =
∆ IК
dα
= α + IЭ
∆ IЭ
d IЭ
∆ IК
dβ
= β + IБ
∆ IБ
d IБ
∆ IЭ
dβ
h21К =
= (β + 1) + IБ
∆ IБ
d IБ
h21Э =
h11К = h11Э
≈ h21Э
3. Выходная проводимость
h22Б =
∆ IК
=
∆ IКБ
1
Б
rКД
h22Э =
∆ IК
=
∆ UКБ
1+β
Б
rКД
h22К =
∆ IЭ
∆ IК
=h
≈
∆ UЭК
∆ UКБ 22Э
∆IЭ ≈ ∆IК
∆UЭК =∆UКБ + ∆UБЭ
∆UКБ >> ∆UБЭ
23

24.

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
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
R
=
СИ =
d UЗИ
d UЗИ
d IС
RСИ – дифференциальное сопротивление канала
24
К =

25.

(n-канал)
II. МДП – транзисторы
С
П
З
+
И
UЗИ
UСИ
(n-канал)
+
-
-
с
МДП
с индуцированным
каналом
p
-
з
крутая пологая
UСИ
+
(p-канал)
-
UПИ
+
n
n
пробой
6В (2В)
область канала
подложка
Iс = f (Uси) при
Uзи = const
3В (– 1В)
В скобках Uзи для МДП
со встроенным каналом
UПИ1 < 0
UПИ2 < UПИ1
UСИ
- (p-канал) С
С
П
З
UСИ
+
И
Iс = f (Uси)
Uпи = const
Uзи = const
З
+
+
с
n
p
+
UПИ
-
з
МДП
со встроенным
каналом
П
И
UЗИ
-
-
UСИ
+
-
UПИ
и
канал
n
п
Стоко – затворные характеристики
UСИ1 > UСИ2
UСИ1 > UСИ2
IС
Uпи = const
n-канал
UСИ
Выходные характеристики по подложке (n - канал)
UПИ = 0
UЗИ
диэлектрик
5В (1В)
4В (0В)
IС
+
и
п
Выходные характеристики
IС
И
UЗИ
+
П
З
+
UПИ
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

26.

IV. МНОП – транзисторы
И
С
+
З
Si3N4
Si
+
-
UЗ
SiO2
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
UПОР1
UПОР2
UЗИ
UПОР1 < UЗИ < UПОР2
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
с фиксированной базой
IК
Ф2 > Ф1
Ф2
Ф1
Ф0
UКЭ
Выходные характеристики
IФ + IКФ
= 1+β
IФ
IФ – ток коллектора обусловленный инжекцией через
эмиттерный переход
– динисторы
– тринисторы
А
А
K
У
Тиристоры
– симисторы
K
– фототиристоры
26

27.

А
П1 П2 П3
p1 n1 + - p2 n2
+
+ +
UA
У
Динистор
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 П2
2 – 3 – режим прямой проводимости
0 – 4 – режим обратного отпирания
4 – 5 – режим пробоя (П1и П3)
Штриховая характеристика для
тринистора с IY > 0
Усилители на транзисторах
Определение: устройство для увеличения мощности сигнала за счет энергии вспомогательного источника.
Классификация:
1. По усиливаемому параметру
2. По частотным свойствам
∆U
ВЫХ
– усиление напряжения
– УПТ
— АЧХ
КU =
∆UВХ
– УНЧ
∆I
ВЫХ
– 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

28.

Характеристики усилителей
1. Амплитудная характеристика
UВЫХ
UВЫХ = f (UВХ)
UВЫХМАК
ΔUВЫХ
UВХ
ΔUВХ
∆UВЫХ
КU =
∆UВХ
2. Амплитудно-частотная характеристика
АЧХ |KU|= F(ω)
|KU|
K0
K
2
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
P2 + P3 + … + Pn
5. Динамический диапазон
КН =
а) нелинейные
UВХМАК
P1 + P2 + … + Pn
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
I0
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

29.

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’
IК A
A
A’
A
IБA
A’’
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
VT
+
ЕК
-
EK – UБЭ
= IБА
IБ =
RБ
EK >> UБЭ
EK
= IБА
IБ ≈
RК
R1
IБ
С
UC
I1
R2
I2
RК
UВЫХ
VT
IБ = I1 – I2
I1 = I2 + IБ
+
ЕК
-
IБ =
EK – UБЭ
R1
EK >> UБЭ
IБ ≈
EK
R1
UБЭ
R2
EK
UБЭ ≈
-
R1 + R2
-
UБЭ
R2
R2
R2
IБ ≈ EK (R1 + R2)
R1
29

30.

Параметры усилительных каскадов
I. Схема с ОЭ
R1
Rk
C1
UC
R2
vT
1. Входное сопротивление:
+
C2
ЕК
-
RH
2. Выходное сопротивление:
1
Rвых Э = R к rкд + ωC
2
3. Коэффициент усиления напряжения:
∆U
XC1 = XC2 ≈ 0 ( на рабочих
KU = ∆Uн ;
с
частотах)
∆Uн = - ∆IK(RH || RK) ; ∆IK = β∆IБ
UБЭ
= rБ + (1+β) rЭД
IБ
(R1 R2)h11э
1
Rвх Э =
+
(R1 R2)+h11э ωC1
h11 Э=
4. Коэффициент усиления тока:
∆I
KIЭ = ∆IK = β
Б
5. Частотные свойства
К
К0
К0
√2
∆IK = - β ∆IБ (RH || RK)
0
∆UС = ∆IБ RВХЭ ;
R1 R2 >> h11Э
ωН – определяется С1 и С2
∆UС ≈ ∆IБ h11Э ;
RН >> RК
- β RK
;
KUЭ ≈
h11Э
ωН
ωВ
ω
ωВ – определяется быстродействием
транзистора и эффектом Миллера
СКЭ = (1 + β)СК
СК – барьерная емкость КП
30

31.

II. Схема с ОБ
C1
UC
+
+
C2
RЭ
1. Входное сопротивление:
RK
VT
ЕК
RH
EЭ
2. Выходное сопротивление:
RВЫХ Б = rКд Б
h11 Б= rЭД + (1-α) rБ
RВХ Б = h11Б RЭ + 1
-
ωC1
4. Коэффициент KI:
3. Коэффициент KU:
∆U
α·(RK || RH)
RK
α
≈
KUБ = ∆Uн =
RВХБ
h11Б
с
(RН >> RК ; RЭ >> h11Б)
∆I
KIБ = ∆IK = α < 1
Э
К0
К
К0
√2
0
ωН
ωВЭ
vT
UC
R2
RЭ
+
ЕК
C2
RH
-
ωВБ
ω
ωВБ >> ωВЭ т. к. отсутствует эффект
1. Входное сопротивление:
C1
1
ωC2
5. Частотные свойства
II. Схема с ОК (повторитель напряжения)
R1
RK +
h11К= rБ + (1+β) [rЭД + (RЭ||RН)]
RВХК = R1 || R2 || h11K + 1
Миллера
2. Выходное сопротивление:
rБ
RВЫХ K = rЭд + 1+β
ωC1
3. Коэффициент KU:
KUК =
(1+β)(RЭ || RH)
<1
rБ + (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

32.

Улучшение параметров каскадов
1. Увеличение β
К
IК
IБ 1
Б
I К2
I К1
vT1
vT2
IK1= β1 IБ1
IК2= IБ2 = β2 IБ2 = β2(1 + β1)IБ1
IЭ1= IБ2 = (1 + β1) IБ1
IК= IК1 + IК2 = β1 IБ1 + β2(1 + β1)IБ1
IЭ 2
IК
β
=
IБ1 = β1 + β2 +β1β2
Э
2. Динамическая нагрузка
IК
А
R
R
I
IБ 2
Б
1
C
+
vT1
R2
UC
vT2
ЕК
β ≈ β1β2
α
RСТ =
КА
IКА
RД = ctg α1= rКД
-
RH
UКЭА
UКЭА
UКЭ
RД >> RСТ
Стабилизация рабочей точки
1. Стабилизация с помощью ОС
R1
RК
+ ЕК
UВЫХ
UВХ
R2
vT
RЭ
CЭ
R2
R1 + R2
UБ = IЭ RЭ
R
UБ = EK R +2 R - IЭ RЭ =
1
2
R2
- (1+β)IБ RЭ
= EK
R1 + R2
2. Параметрическая стабилизация
UБ = EK
R
RК
+ ЕК
UВЫХ
UВХ
vD
vT
UБЭ = f(t°C)
UБЭ ≈ φT ln(
IПР
+ 1)
I0
UБЭ = UД
32

33.

Усилители на ПТ
ОС(ОК), ОН(ОЭ), ОЗ(ОБ)
Задание рабочей точки
1.
RС
UВЫХ
vT
RЗ
UН = IСА Ru
ICнач
UЗИ = - IСАRu
А
+
-
2.
Ru
RС
R1
R2
+ ЕC
IC
Cu
+ ЕC
UВЫХ
vT
+
Ru
-
IC
UЗИОТС
UЗ = EС
UЗИ = EС
R2
R1 + R2
UЗИ = f (Ru)
UЗИ
UН = IС RН
R2
R1 + R2 - IС RН
UЗИ = f (R1,R2)
Ru – для стабилизации
33

34.

Элементы теории ОС
Определение:
Uвх
+
UY
+
UОС
K
UY = UВХ + UOC
Uвых
UВЫХ = UВХ
α
2. ООС
Uвх
+
UY
UОС
K
UВЫХ = k UY = k UВХ + kαUВЫХ
k
1 - kα
UВЫХ = UВХ
kα –
kα < 1
kα < 1
0≤ β ≤ 1
UВЫХ = k UY = k UВХ - kβUВЫХ
UY = UВХ - UOC
β
k
1 - kα
kUOC=
UОС = β UВЫХ
Uвых
0≤ α ≤ 1
1< K < ∞
UОС = α UВЫХ
1. ПОС
k
1 + kβ
k
1 + kβ
kUOC=
Виды ООС
1. Последовательная – на входе вычитаются U
kβ –
kUOC < 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
UВХ
IY
IOC
1-4
K
UВЫХ
+
β
UОС = β UВЫХ
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

35.

Входное сопротивление усилителя с ООС
1. Последовательная ОС по U
RВХОС =
UВХ
IВХ
UВЫХ = UY + UOC
UOC = βUВЫХ
UВХ = UY + kβUY = UY(1 + kβ)
UY = IВХ RВХY
UВЫХ = k UY
UВХ = RВХY IВХ(1 + kβ)
RВХОС = RВХY (1 + kβ)
2. Параллельная ОС по U
RВХОС =
UВХ
UВХ
=
IВХ IY + IOC
IOC = βUВЫХ
RВХОС =
UВЫХ = k UY
IY RВХY
RВХОС =
IY + kβRВХYIY
RВХY
1 + kβRВХY
Выходное сопротивление усилителя с ООС
1. ОС по напряжение
U
RВЫХ = ХХ
IКЗ
UХХ = UВХ
k UВХ
При КЗ сигнал ОС = 0. Тогда IКЗ = R
ВЫХY
k
1 + kβ
2. ОС по току
В режиме ХХ IВЫХ = 0, сигнал ОС = 0 и UХХ = k UВХ
IКЗ =
UВЫХY
RВЫХY + RВХβ
UВЫХY = IКЗ(RВЫХY + RВХβ) (1)
Приравняв (1) и (2) получим:
IКЗ =
K UВХ
(RВЫХY + RВХβ) + kβ
RВЫХ
ОС
=
RВЫХY
1 + kβ
В режиме КЗ IВЫХ = IКЗ, UОС = βIКЗ
UВЫХY = k UY=k (UВХ – UOC)=k UВХ – kβIКЗ (2)
RВЫХОС =
UХХ (R
= ВЫХY + RВХβ) + kβ
IКЗ
35

36.

АЧХ усилителя с ОС
К0 К
без ОС
К
√2
с ОС
ОС
=
КОС
КОС = 1 (К0 = ∞)
β
ωСР
ОС
К0
Если К0 → ∞, КОС → 1
β
1 + К0β
ωСРОС > ωСР
√2
ωСР
0
К0
K0ωСР = KOCωСРOC
ωСРOC = ωСР K0 = ωСР (1 + K0β)
KOC
ω
Пример 1.
+
vT
UC
ЕК
+
RЭ
IЭ
UВЫХ
-
-
UC = UБЭ + IЭRЭ
UБЭ = UY
β=1
UOC = UВЫХ
Пример 2.
Пример 3.
+ ЕК
IОС R
ОС
RБ
IС
+ ЕК
RК
CОС
IС →IБ →(IК= βIБ) →
vT
IБ
IБ = IС + IОС
UВЫХ
RБ
→UK →IОС →IБ
UC
IОС =
UK – UБ
RК
IОС =
vT
UВЫХ
UK – UБ
1/ωC0
= ωС0(UK – UБ)
UC
RОС
36

37.

Оконечные (выходные) каскады
Назначение. Режимы (А, В, АВ)
1. Каскад в режиме А
+ ЕК
R1
RН
IК, UКЭ , PК – близки к идеальным
C
Недостатки:
vT
RH
R2
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
vT1
UC
vT2
IЭ1
RН
UC
IЭ1
IЭ2
IЭ2
- ЕК
IН
КПД ≈ 70%
t
t
UБЭ
t
t
t
UC область искажений
t
Недостаток: искажения при малых уровнях UC
37

38.

3. Каскад в режиме АB (ОК-ОК)
vT1
vD1
UC
IБ
+ ЕК
R
vD2
UБЭ2= (UС – UD2)
A
RН
vT2
R
UБЭ1= UС + UD1
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

39.

Трансформаторный с преобразованием
~Uсети
Вып
=U
Ген
ωС
Вып
Тр.
Uст
Ф
Стаб
Uст
ωr
ωr >> ωC
1. Трансформатор. Назначение
Uвх
Uвых
U
W
n= Uвх = Wвых
вых
вх
W – число витков
2. Выпрямитель. Назначение
- однополупериодный
U2
VD
Тр
0
~U1
U2 RH
UH
Um
t
0
- двухполупериодный
VD1
Тр
U2
+(-)
~U1
U2
-(+)
+(-)
I1
U2 RH
I2
-(+)
VD2
0
UH
0
Uср. вып. =
Uср. вып.
t
Т/2
∫ Um Sinωt dt =
0
Um
π
UОБР = Um
Um
t
1
Т
Uср. вып. =
Uср. вып.
t
2
Т
Т/2
∫ Um Sinωt dt =
0
2Um
π
UОБР = 2Um
39

40.

- мостовой
Тр
Uср. вып. =
RH
~U1
2Um
π
UОБР = Um
U2
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
P0
PH – мощность в нагрузке
P0 – общая мощность потребляемая стабилизатором
40

41.

Типы стабилизаторов
– параметрические
– импульсные
– компенсационные
Параметрические
+
Е
IН
IR
Б
-
IСТ
UСТ
Е
RБ
I
U
RН
RБ =
E – UСТ
IRБ = IСТ + IН
I RБ
=
E – UСТ
IСБ + UСТ/RH
А
Е
RБАЛ
E = URБ + UСТ
Недостатки: – низкий KСТ при изменении Е и RН (почему?)
– высокое RВЫХ (опред. rДСТ)
Для снижения RВЫХ используется ЭП
RБ
+
VT
Е
-
UCT
VD
RВЫХОК << rДСТ
RН
41

42.

Компенсационный
– с последовательным регулирующим элементом
– с параллельным
RР
=U
IПР
RБ
RН
UОП
=U
- UCT
+
∆U
K
vT1
+
RК
=U
vT2
VD
-
UYC
=U
UCT
R2
Uст
RР – транзистор
UCT
RН
∆U
UYC = K (UОП – UСТ)
UYC
RP
UСТ
Цикл регулирования от +∆UСТ до -∆UСТ
+
R1
RР
∆U = UОП – UСТ
РЭ
UОП
IПР
=U
UCT
RБ
Uст
=U
IК2
+∆ Uст
=UR1
UК2
IБ1
(UБЭ2= UR1 – UO11)
IБ2
(-∆UСТ)
UО12
42

43.

Импульсный
Ucc
+
Uвп
СС
Uсс
Iз
=U
ЭК
LH
Ip
СH
Ip
RH
Uст
-
Uпор2
Uпор1
Uст
Uоп
Uст
Uпор1
Uоп
Uпор2
t
Uсс
разряд заряд разряд заряд
t
43

44.

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 vT
UБЭ
+EK
RК
UВЫХ
EК
RК
IКн
IК
В
IБ = -IК0
А
UКЭ
0
UКЭ
UКЭн
ОАEК – область отсечки
EК
ОВ
EК
– область насыщения
RК
51

45.

Режим отсечки (т. А)
UБЭ < 0,
UБК < 0 ,
Из уравнений Эберса – Молла можно получить:
βI
IK ≈ IK0 ;
IБ ≈ - IК0 ;
IЭ ≈ I ≈0
βNК0
(βN >> βI)
Схема замещения
+ЕК
IK0
RБ
Б
UC
UБЭ
RК
UКЭ = ЕК – IK0 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

46.

При IБ > IБH линейная связь между IК и IБ отсутствует. Если IБ > IБH , то IБ >
Степень насыщения транзистора
I
S = IБ ≥ 1
БН
IK
β
UKЭмин = φТ ln αI ( при IБ→∞)
Т.к. IБ ≠ 0 , то UKЭмин = 10 ÷ 20 мВ
Схема замещения
+ЕК
IK
IБ ≥ IБ Н
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

47.

Включение
Подготовка к включению
Формирование фронта IK
Накопление избыточного заряда
Выключение
1.
2.
3.
Рассасывание избыточного заряда
Формирование спада IK
1.
2.
IБ
0
Q
QГР
IБ1
t0
0
IК
0
tпод
IБ2
t3
tпод = t1 – t0 Определяется IБ, и
быстродействием транзистора
t
Qизб
t1
t2
t4
t5
t
tФ = τβ ln
Q(t) = IБ, τβ(1-е-t/τβ)
Q(∞) - Q(t1)
Q(∞) - Q(t2)
Q(∞) = IБ, τβ; Q(t1) = 0; Q(t2) = Qгр = IБн τβ
tФ
t
tРАС
UКЭ
0
tФ = t2 – t1;
tСП
t
tФ = τβ ln
IБ1
S
I
; (S= Б )
= τβ ln
IБ1 - IБн
S-1
IБн
tРАС = t4 – t3 = τβ ln
Q’(∞) - Q(t3)
Q’(∞) - Q(t4)
Q’(∞) = - IБ2 τβ; - предельный заряд в базе
под действием тока IБ2
54

48.

4) Серия спада tсп
tсп=t5 –t4=
; Q’(∞)=
Если Iб2 ↑, то tсп ↓
; Q(t4) = Qгр
;
Q(t5) = 0
=
Методы повышения быстродействия транзисторных ключей
Анализ tД, tРАС и tСП показывает противоречивость требований к Iб и Iб2 для уменьшения tД, tРАС и tсп.
Способ 1. Ключ с форсирующей емкостью.
Iб
Схема ключа
Iб2
+Eк
tсп
Rк
Rб
Uвых
VT
Uвх
Cд
Iбн
Iбн = UВХ / Rб
Iбн = Iк/β (для точки B)
t
tФ
55
5
4

49.

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;
+Eк
Ur = Iбн *r;
Uбк =Uб –Uк=UD – Uz=0; UD = Iбн*r
Iбн = Iкн /β≈Eк /βRк
r=UD /Iбн
Rк
ID
IRб
Uвх
Rб
Uк
r
a
Iбн
Uб
VT
Uвых
56
5
4

50.

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<UЗИпор
UС > UЗИпор
Ir
Rс
Eс/Rс
A
Uвых
A
RС1
RС2
VT
Uс
RС2 > RС1
0
UЗИпор Uc
UЗИ
0
Uост
Eс
UСН
57
5
4

51.

2. Ключ с динамической нагрузкой
+Eс
Если Uс <UЗИпор , то Т1 – закрыт, соответственно и Т2
VT2
Uвых ≈Eс
При Uс > UЗИпор , Т1 – открыт,
Uвых
Uсн1 << Eс и Uсн2=Eс – Uсн1 > UЗИпор – Т2 так же открыт
Uс
VT1
1)
3. Комплементарный ключ
Uс=0; UЗИ1=0 UЗИ2=-EС > UЗИпор2 , Т1- закрыт
Т2 – открыт, Uвых = EС
+Eс
2) Uс > UЗИпор1 - Т1 – открыт. Если Uс > Eс –| UЗИпор2 |, то Т2 –
закрыт.
VT2
Iс
VT1
Uвых
Uс
VT1
UЗИпор2
0
UЗИпор1
UЗИ
58
5
4

52.

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
59
5
4

53.

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
60
5
4