билеты 1-40

Билет 38. Конструкции фильтров на ПАВ.

Фильтры на ПАВ могут быть либо полосовыми, либо режекторными (заграждающими).

Фильтры на ПАВ не могут быть фильтрами нижних и верхних частот.

Простейшим фильтров на ПАВ является фильтр, конструкция которого приведена на рис.2.40.

вход

выход

L

Рис.2.40 . Конструкция простейшего фильтра на ПАВ.

Если T ( j ×ω) передаточная характеристика одного из этих преобразователей, то передаточная

характеристика линии задержки из двух таких преобразователей:

Tобщ . ( j ×ω ) = [T ( j ×ω )]2 .

Если преобразователи эквидистантные и одинаковые и состоят из N электродов, то АЧХ

фильтра пропорциональна

sin 2

N × x

.

sin

2

x

T (ω ) = A × sin 2 N × x

,

x =

ω × Dt

,

Dt =

2

d

,

(2.3.19)

sin 2 x

2

×Vs

d – период многоэлементного преобразователя.

T (ω)

ω

ω0

Рис.2.41. Амплитудно-частотная

характеристика простейшего фильтра

Амплитудно-частотнаяхарактеристика

такого

на ПАВ

T2 (ω )

T1 (ω )

фильтра приведена на рис.2.41. Она имеет малую

T2 (ω )

крутизну срезов АЧХ и малую

избирательность.

Для

повышения

избирательности фильтра используют

аподизованные преобразователи.

T1(ω )

Если один из преобразователей на

рис.2.40

является

аподизованным,

причем

функция

аподизации

ω

пропорциональна

sin N × x

с

sin x

Рис.2.42. Амплитудно-частотные характеристики

ограниченным

числом

боковых

неаподизованного Т1(ω) и аподизованного Т2(ω)

лепестков, не превышающим 2, 3 , то

преобразователей фильтра.

импульсная

характеристика

этого

преобразователя будет определяться

функцией вида

sin

x

с тем же числом

x

боковых лепестков. Эта функция будет являться огибающей импульсной характеристики,

а

заполнение

–

гармоническое

колебание

с

частотой

f 0

(средняя частота

преобразователя). Скачки фазы на π будут в случае, когда функция

sin x

будет переходить через

x

ноль. Амплитудно-частотная характеристика близка к прямоугольной и имеет вид, представленный на рис.2.42.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра в целом T (ω ) = T1 (ω ) ×T2 (ω ) .

Для выполнения условия равномерности АЧХ фильтра в полосе прозрачности соотношение полосы пропускания неаподизованного ∆ωн и аподизованного ∆ωа преобразователей должно удовлетворять условию

Dωa = (3 ¸ 4) × Dωн .

Тогда форма АЧХ будет определяться формой АЧХ аподизованного преобразователя.

Если для возбуждения и приема ПАВ используются веерные преобразователи, то конструкция фильтра принимает вид, изображенный на рис.2.43.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра при условии одинаковых входного и выходного веерных преобразователей

T (ω ) = T12 (ω )

В перечисленных конструкциях не используется два аподизованных преобразователя, т. к. в этом случае не происходит перемножение передаточных характеристик преобразователей.

1	2	3
вход		выход

Рис.2.43. Конструкция фильтра с использованием веерных преобразоватеd1лей (1 - пьезоэлектрическая пластина, 2 – входной веерный преобразователь, 3 - выходной веерный преобразователь).

Вх. ВШП	I	МПО

II

Вых. ВШП

d1

Рис.2.44. Конструкция фильтра с использованием многополоскового

Амплитудноответвителя-частотная(Iхарактеристикканал– верхний фильтраМПО,при IIусловнижний– од наканаловых входногоМПО ). и выходного веерных преобразователей

T (ω ) = T12 (ω )

В перечисленных конструкциях не используется два аподизованных преобразователя, т. к. в

этом случае не происходит перемножение передаточных характеристик преобразователей. Использование многополоскового направленного ответвителя (МПО) при проектировании

фильтров на ПАВ позволяет существенно повысить их избирательность. Конструкция такого фильтра приведена на рис.2.4Входной и выходной преобразователи, могут быть как эквидистантные, так и неэквидистантные, аподизованные и неаподизованные. Период в верхнем и нижнем каналах не

одинаковый (d 2 > d1 ).

Рассмотрим фильтр с многополосковым ответвителем в случае использования для возбуждения

и приема поверхностных акустических волн одинаковых эквидистантных неаподизованных встречноштыревых преобразователей. Частота основной гармоники этих преобразователей будет определяться уравнением

f0 = 2V×Sd , где d – период электродов преобразователя, Vs – скорость распространения ПАВ.

Тогда амплитудно-частотная характеристика каждого из входного и выходного преобразователей будет иметь вид

sin

ωd

N1

sin

ωλ0 N

T (ω) = a ×

2VS

= a

2VS

,

(2.3.20)

cos

ωd

cos

ωd

2V

2V

S

S

где N1 – число электродов преобразователя, N - число пар электродов преобразователя,

λ0 = 2d – длина волны на частоте акустического преобразователя при n = 1, d – период встречно-штыревого преобразователя.

Наиболее эффективное переизлучение ПАВ многополосковым ответвителем из канала I в канал II происходит на частотах акустического синхронизма, которые определяются

fn =				vS			n .	(2.3.21)
			d2	− d1

Рассмотрим импульсную характеристику многополоскового ответвителя. Так как импульсная характеристика представляет собой отклик цепи на воздействие в виде δ – импульса. Поэтому пусть

от входного преобразователя в сторону МПО распространяется акустическая волна в виде δ - импульса. Этот δ – импульс, проходя под первым металлическим электродом в верхнем канале МПО, наводит на нем электрический потенциал, который возбуждает в нижнем канале МПО акустическую волну в виде δ – импульса, распространяющегося в сторону выходного преобразователя. Пройдя расстояние d1 входной акустический импульс возбудит в нижнем канале второй акустический δ – импульс, который будет опережать первый импульс на расстояние ∆d = d2 – d1. Если число элементов МПО равно N, то в результате к выходному преобразователю будет распространяться последовательность из N δ – импульсов, отстоящих друг от друга на интервал времени, равный

d
t = VS	. В результате получим импульсную характеристику	многополоскового ответвителя, а
именно	N −1
	g(t) = båδ (t - nDt) ,	(2.3.22)

n=0

где b – некоторый постоянный коэффициент.

Тогда передаточная характеристика МПО в комплексном виде будет иметь вид:

		sin	ωDd		N			sin	ωλ0	N
TМПО (ω) = b ×			2V			= b ×			2V
				S					S		(2.3.23)
		sin		ωDd				sin ωDd
				2V					2V
				S						S

Амплитудно-частотная характеристика в целом фильтра будет иметь вид:

			sin3 ωλ0 N
Tобщ (ω) = T 2 (ω) ×TМПО (ω) = a2 ×b ×					2VS			.
		cos	2	ωd			ωDd
						×sin
				2V			2V
				S			S

Билет 39.

Биполярные транзисторы. Классификация. Схемы включения. Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронными переходами, служащий для усиления мощности и имеющий три и более выводов.

Транзисторы делятся на биполярные и полевые. Биполярными называют транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей обеих полярностей. Конструкция такого транзистора схематически показана на рис.3.3.16,а.

p-n

n-p

К

К

Б

Э

p

n

p

К

Б

Б

Б

Э

Э

а)

б)

К

Рис.3.3.16. Конструкция биполярного транзистора (а) и условное обозначение

p-n-p транзистора (б) и n-p-n транзистора (в).

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода и три выходных клеммы: эмиттер, база и коллектор. Эмиттер (Э) служит для образования (источником) носителей заряда. База (Б) управляет величиной потока носителей, проходящих от эмиттера к коллектору, т.е. является управляющим электродом. Коллектор принимает носители заряда, испускаемые эмиттером. Концентрация примесей в эмиттере и коллекторе выше, чем в базе. Ширина базы меньше или сравнима с длиной свободного пробега носителей.

Схемы включения транзисторов приведены на рис.3.3.17.

	К	Э	К	Э
				Б
	Б
	Э	Б		К
	а)		б)	в)

Рис.3.3.17. Схемы включения биполярного транзистора: с общим эмиттером (а), с общей базой (б) и с общим коллектором (в).

Режимы работы транзистора:

∙активный – эмиттерный p-n переход включается в прямом направлении, коллекторный в обратном направлении;

∙насыщения – оба p-n перехода включаются в прямом направлении;

∙отсечки - оба p-n перехода включаются в обратном направлении;

∙инверсный – эмиттерный p-n переход включается в обратном направлении, коллекторный в прямом.

Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме с общей базой, работающего в активном режиме (рис.3.3.18,а). Энергетическая диаграмма транзистора в отсутствии внешних электрических напряжений приведена на рис.3.3.18,б.

W

p-n

n p-n p

p-n

p-n

p

Зона

проводимости

p

n

p

Уровень

Ферми

			Валентная		зона
а)			б)
Рис.3.3.18. Схема включения транзистора (а) и его энергетическая диаграмма (б).

Так как концентрация примесей в коллекторе и эмиттере больше, чем в базе, то p-n переходы смещены в сторону базы, что приводит к уменьшению ее ширины.

Пусть напряжение эмиттер - база U ЭБ ¹ 0 , а напряжение коллектор – база U КБ = 0 .

Энергетическая диаграмма приведена на рис.3.3.19,а.

-

W p p-n		n			W	p p-n			n p-n p
			p-n p
						Зона			проводимости
Зона		проводимости			Уровень
					Ферми

Валентная

зона

Валентная

зона

б)

б)

Рис.3.3.19. Энергетические диаграммы транзистора при условии и (а) и при и (б).

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения увеличивается число основных носителей (дырок), переходящих из эмиттера в базу. Вблизи эмиттерного перехода в базе увеличивается концентрация дырок, а следовательно увеличивается положительный объемный заряд, который мгновенно компенсируется электронами, поступающими в базу от источника напряжения. Цепь тока эмиттер база оказывается замкнутой.

Электроны, поступающие в базу, устремляются к эмиттерному переходу и создают вблизи него отрицательный объемный заряд, почти полностью компенсирующий положительный объемный заряд, образованный дырками, т.е. вблизи эмиттерного перехода возникает область с повышенной концентрацией электронов и дырок. В результате в базе возникает диффузионный ток неосновных носителей, направленный к коллектору. Так как ширина базы выбирается меньше длины свободного пробега носителей заряда, то подавляющее большинство дырок (практически 99% и более), инжектированных из эмиттера, не успевает рекомбинировать с электронами в базе и, попадая в ускоряющее поле коллекторного перехода, втягиваются в коллектор, образуя коллекторный ток (ток экстракции). В результате в этом случае даже при отсутствии коллекторного напряжения коллекторный ток отличен от нуля.

При включении обратного напряжения коллектора поле в коллекторном переходе увеличивается. Однако это не приводит к значительному увеличению коллекторного тока, так как независимо от величины ускоряющего поля в коллектор поступают практически все дырки, которые подходят к коллектору и число которых определяется лишь числом инжектированных в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Так как к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, то ток через этот переход, а следовательно, и коллекторный тоr сильно зависит от U ЭБ , возрастая по

экспоненциальному закону.

Эмиттерный ток равен сумме базового и коллекторного тока, т.е.

I Э = I Б + I К или			(3.3.10)
IК = IЭ − IБ .			(3.3.11)
Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших коллектора,
определяется коэффициентом передачи эмиттерного тока
α = ∂iК		,	(3.3.12)
∂iЭ
		=
	UR	const

который для современных транзисторов составляет 0,900 ÷0,997 .

Превышение коллекторного тока над базовым определяется коэффициентом передачи базового тока

	β = ∂iК	.	(3.3.13)
	∂iБ
		=
		uК const

Учитывая (3.3.11) и (3.3.12), можно найти связь между α и β:

β =	α
	1 − α .	(3.3.14)

Так как α ≈1, то β >> 1.

Основными характеристиками транзистора, полностью определяющие его свойства, являются статические характеристики .

На рис.3.3.20 приведены семейства статических характеристик транзистора,

включенного по схеме с общей базой. Это зависимости I K (U КБ ) (а) и IЭ (U ЭБ ) (б).
I					Iэ1	Iэ
к
					Iэ2				Uкб>0
а)						б)
	Iэ5=				Iэ3				Uкб=0
					Iэ4
	0		Uкб						Uкб<0 Uэб
	Рис.3.3.20.		Семейства		статических				характеристик
	транзистора.
Семейство зависимостей			IЭ (U ЭБ ) называются входными статическими характеристиками,
а семейство I K (U КБ ) - выходными характеристиками транзистора.

Билет 40. Полевые транзисторы. Работа полевого транзистора,
включенного по схеме с общим истоком. Статические
характеристики полевого транзистора.
Полевым (униполярным) транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток
носителей заряда, протекающий через канал, управляется электрическим напряжением
(электрическим полем), приложенным между затвором и истоком.
Каналом называется область полупроводникового кристалла, в котором величина потока
носителей зарядов регулируется площадью его поперечного сечения.
Истоком называется область полупроводникового кристалла, откуда вытекают все носители
заряда.
Стоком называется область полупроводникового кристалла, куда втекают носители заряда.
Затвором называется электрод, который управляет площадью поперечного сечения канала с
помощью приложенного напряжения.
В полевых транзисторах используется ток только основных носителей: дырок или электронов.
Полевые транзисторы делятся на транзисторы с управляемым p-n переходом (рис.3.3.23,а) и
транзисторы с изолированным затвором (МДП - транзисторы). Транзисторы с изолированным
затвором в свою очередь разделяются на транзисторы с встроенным каналом					и с индуцированным
каналом.
		канал
	р			С		С
И		С
n		n	З	И	З	И
	р
З
а)			б)		в)
Рис.3.3.23. Конструкция полевого транзистора с управляемым p-n переходом (а) и его
условное обозначение: затвор p-типа, канал n-типа (б); затвор n-типа, канал p-типа (в)
		(З – затвор, И – исток, С - сток).
Аббревиатура МДП представляет собой начальные буквы слов метал, диэлектрик, полупроводник
и по сути описывают конструкцию затвора. Если в качестве диэлектрика используется окисел, то такие
полевые транзисторы называются МОП - транзисторами.
Схематично конструкции МДП – транзисторов приведены на рис.3.3.24.
диэлектрик		метал	диэлектрик		метал
канал			канал
р		р	р		р
n				n
а)		р		б)
Рис.3.3.24. Конструкции МДП – транзисторов: с встроенным каналом (а), с
		индуцированным каналом (б).

В МДП – транзисторах с индуцированным каналом при приложении к затвору обратного напряжения вблизи поверхности полупроводника образуется слой, обогащенный неосновными

носителями заряда и обедненный основными, что приводит к образованию канала для прохождения основных носителей заряда от истока к стоку.

Следует отметить, что ширина канала в полевых транзисторах составляет величину около 1(одного) мкм, а его длина несколько мкм.

	С
В	p-n	p-n	В
А	З p	p	А
	n

Uзи

И

Uси

Рис.3.3.25. Включение полевого

транзистора по схеме с общим истоком.

При приложении к затвору обратного напряжения увеличивается ширина p-n перехода, а

следовательно уменьшается ширина канала, что приводит к увеличению сопротивления канала, и, как

следствие, уменьшается ток от истока к стоку. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно

изменять ток между истоком и стоком. Ток же между затвором и истоком очень мал, так как

сопротивление p-n перехода, включенного в обратном направлении, очень велико. Поэтому, в отличие

от биполярных транзисторов, полевые транзисторы характеризуются коэффициентом усилением по

напряжению, а не по току.

Будем считать, что R0 – сопротивление областей полпроводника вблизи истока от входного

электрода до сечения А-А и вблизи стока от сечения В-В до выхлдного электрода, а RК –

сопротивление канала. Для абсолютного большинства полевых транзисторов выполняется

соотношение

R0<< RК. Тогда падением напряжения сток - исток на сопротивлении

R0 можно

пренебречь по сравнению с падением напряжения на сопротивлении RК. При этих условиях можно

считать, что

потенциал сечения А-А

канала по отношению к истоку равен нулю, а потенциал сечения В-В канала по отношению к истоку

равен +UCИ и по длине канала меняется равномерно.

Потенциал затвора по всей его длине от сечения А-А

до сечения В-В постоянен и равен –

UЗИ. Следовательно, по длине p – n перехода от сечения А-А до сечения В-В к нему будет приложена

различная разность потенциалов, которая меняется от

U зи

в сечении А-А до

U ЗИ

+

U СИ

в

сечении В-В. Поэтому ширина p-n перехода также будет меняться от максимальной в сечении А-А до

минимальной в сечении В-В, т.е. канал приобретает конусную форму (рис.3.3.26,а). На рис.3.3.25

форма канала показана при питающих напряжениях, равных нулю.

С

С

С

p-

n

n

-p

З

б) З

p-

n

n

-p

З

p-

n

n

-p

З

З

в) З

а)

p

p

p

p

p

p

n

n

n

И

И

И

Рис.3.3.26. Форма канала полевого транзистора при различных

напряжениях сток – исток.

При увеличении напряжения сток – исток ширина p-n перехода в сечении В-В увеличивается, канал сужается и образуется так называемая горловина (рис.3.3.26,б). До образования горловины ток стока растет пропорционально напряжению сток – исток. При дальнейшем увеличении напряжения сток – исток длина суженной части увеличивается и в конечном итоге принимает вид, изображенный на рис.3.3.26,в. Скорость роста тока стока при этом замедляется. При последующем увеличении напряжения сток – исток ток стока не изменяется, так как сопротивление канала увеличивается пропорционально увеличению прикладываемого напряжения. И при некотором напряжении сток – исток ток стока начинает резко увеличиваться за счет не6основных носителей, поступаюших в область стока от затвора в результате пробоя p-n перехода. Причем пробой p-n перехода сначала наступает в сечении В-В, а затем распространяется по всей длине канала.

На рис.3.3.27 приведены семейства входных (а) и выходных (б) статических характеристик

полевого транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Для семейств характеристик справедливы соотношения:

Iс

Uси1

Ic

Uзи1

Uси2

Uзи1

Uси3

Uзи

Uзи1

Uси

а)

б)

Рис.3.3.27. Семейства входных (а) и выходных (б) статических

характеристик полевого транзистора.

U СИ 1

>

U СИ 2

>

U СИ 3

и

U ЗИ1

<

U ЗИ 2

<

U ЗИ 3

.

(3.3.23)

При увеличении обратного напряжения UЗИ, приложенного к p-n переходу, увеличивается его ширина, уменьшается площадь поперечного сечения канала и величина тока стока, а при некотором значении напряжения затвор – исток UЗИ0, называемом напряжением запирания транзистора, ток стока становится равным нулю. Природа тока стока – дрейфовая.

На рис.3.3.28 приведены схемы включения полевых транзисторов.

	С	С	И	З	И
З
	И		З		С
Uзи	Uис	Uсз	Uиз	Uзс	Uис

а)

б)

в)

Рис.3.3.28. Схемы включения полевых транзисторов: а – с общим истоком, б – с общим затвором, в – с общим стоком.