Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 52 из 589 (September 3, 2010, 15:09)

52 2. Диоды и транзисторы

	Здесь большим преимуществом по срав-	ки, и дальнейшее улучшение технологии
	нению с ВЧ транзисторами прежних поко-	производства транзисторов невозможно.
	лений является более низкое напряжение	На самом деле, оказалось возможным
	питания и меньшие токи потребления. Но	получить 5-е поколение (BFP 520/BFP 540)
	даже при напряжении коллектор—эмиттер	из 4-го путём последовательного примене-
	от 2 до 3 В транзистор работает без проблем.	ния теоретически известных стратегий оп-
	Технические параметры, полученные при	тимизации — главным образом, за счёт
	этих условиях, не идут ни в какое сравнение	уменьшения всех вертикальных и горизон-
	с параметрами для более старых транзисто-	тальных структур. Однако кремниевая тех-
	ров, даже при б‚ольших напряжениях пита-	нология при использовании современных
	ния. Одно из устройств, в котором до не-	методов производства (не учитывая сверх-
	давнего времени было невозможно исполь-	дорогие возможности, например для заме-
	зовать биполярные транзисторы в пласти-	ны фотолитографии) достигла своего преде-
	ковом корпусе и которое теперь может быть	ла. Этот предел можно преодолеть во мно-
	сконструировано на базе SIEGET-транзис-	гом благодаря оригинальной идее, выдви-
	тора BFP 405 — это серийно выпускаемый	нутой в дни основания полупроводниковой
	стабилизированный генератор на диэлект-	техники. В 1954 году Герберт Кромер (Herbrt
	рическом резонаторе (DRO) для малошумя-	Kroemer) опубликовал предложение по мо-
	щих схем (LNC), работающих на частоте	дифицированию		запрещённой		зоны	базы
	12 ГГц. Данный генератор обеспечивает вы-	транзистора таким образом, чтобы носите-
	ходную мощность более +3 дБм на частоте	ли заряда, выходящие из эмиттера, «встре-
	10 ГГц, и по сравнению с предыдущими по-	чали» встроенное поле. Поле ускоряло бы
	колениями генераторов на основе арсенид-	электроны, резко снижая время прохожде-
	галиевых полевых транзисторов создавае-	ния базы, что соответствует повышению
	мый им уровень шумов в боковой полосе	граничной частоты. За эту идею в 2000 году
	частот более чем на 5 дБ ниже. На Рис. 2.29	Кромер был удостоен Нобелевской премии.
	показан опытный образец DRO-генератора	Модифицирование запрещённой					зоны
	для частоты 10 ГГц.	наилучшим образом осуществляется путём
		выборочного включения атомов германия в
		подложку из кремния таким образом, что
		концентрация примесных атомов в направ-
		лении от эмиттера к коллектору постоянно
		возрастает.	Поскольку атомы			германия
		больше, чем атомы кремния, в кристалле
		возникают сильные механические напря-
		жения, которые приводят к появлению тре-
		щин. Поэтому прошло много лет, прежде
		чем первые лабораторные опыты привели к
		разработке полноценного			производствен-
		ного процесса. Полное и подробное описа-
		ние этого процесса можно найти в журнале
		«Elektronik»	18/2002 (Lohninger: «Diskret,
		aber nicht trivial – Teil 3» [Дискретные, но не
		тривиальные	–	Часть 3]).	С	2000	года
	Рис. 2.29. Лабораторный образец стабилизиро-	Infineon выпускает транзистор				BFP 620 с
		граничной частотой 70 ГГц. Стало возмож-
	ванного 10-ГГц генератора на дилектрическом
		ным и снижение коэффициента шума до
	резонаторе, выполненный на базе транзистора
		0.7 дБ на частоте 2 ГГц. К сожалению, за
	BFP 405.
		высокое значение граничной частоты при-
	2.5.3. Кремний-германиевые	ходится платить меньшим значением на-
		пряжения пробоя, поскольку				граничная
	транзисторы
		частота транзистора определяется не только
	Может показаться, что с разработкой	временем прохождения базы, но и време-
	SIEGET-транзисторов в очередной раз бы-	нем прохождения коллектора. Так как ско-
	ли достигнуты предельные характеристи-	рость электронов постоянна, последней ос-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 53 из 589 (September 3, 2010, 15:09)

2.6. Кремниевые монолитные СВЧ интегральные схемы (MMIC) упрощают разработку 53

тавшейся возможностью увеличения рабочей частоты является уменьшение толщины не только базы, но и коллектора. Но более тонкий коллектор имеет меньшее напряжение пробоя. Соответственно, транзистор BFP 620 может работать только при напряжениях не более 2.5 В. Поскольку часто это приводит к увеличению стоимости схем, а для схем с рабочей частотой 3 ГГц сверхвысокие значения граничной частоты не требуются, то процесс производства был модифицирован, чтобы получить более высокое рабочее напряжение. В результате были выпущены два типа транзисторов 6-го поколения — BFP 640 и BFP 650. Эти транзисторы имеют рабочее напряжение 4.5 В, а их граничная частота соответственно снижена до 40 ГГц, причём это не повлияло на значение коэффициента шума.

2.6.Кремниевые монолитные СВЧ интегральные схемы (MMIC) упрощают разработку

При использовании дискретных компонентов не удаётся получить ВЧ схемы с высокими требованиями в отношении управления рабочей точкой, тепловых характеристик, ESD-защиты или коммутационных функций. В этом случае должно быть использовано слишком большое количество активных компонентов, при этом пространственное расположение некоторых из них сильно взаимосвязано или имеется недостаточно места на печатной плате или модуле. Эти требования могут быть выполнены при использовании кремниевых монолитных СВЧ ИС (Monolitic Microwave Integrated Circuit — MMIC), поскольку в них можно интегрировать как активные (биполярные транзисторы, диоды), так и пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, дроссели) на очень малой площади кристалла. Таким образом, использование кремниевых MMIC позволяет значительно сократить время разработки и риски, связанные с дискретными ВЧ устройствами. Примерами могут служить малошумящие усилители (LNA), усилители с переменным коэффициентом усиления (VGA), генераторы, управляемые напряжением (VCO) или смесители.

В общем случае, более или менее сложные схемы смещения по постоянному току управляют рабочей точкой ВЧ каскадов так, что можно достичь желаемых характерис-

тик, например постоянного коэффициента усиления или постоянного тока потребления, вне зависимости от изменений температуры, напряжения питания или мощности входного ВЧ сигнала. В то же время ВЧ каскады оптимизированы для специальных требований. Например, в малошумящих усилителях сочетается минимальное значение коэффициента шума с согласованием по мощности, т.е. волновое сопротивление на входе и выходе должно быть равно 50 Ом.

Имеются различные типы монолитных интегральных СВЧ усилителей, изготовленных по биполярным технологиям, разработанным компанией Infineon, например SIEGET®-25, SIEGET®-45 или другие, изготовленные по 70-ГГц кремний-германие- вой (SiGe) технологии с высокой стабильностью характеристик в диапазоне частот от 0 до 10 ГГц и рабочей точкой, обеспечивающей согласование с сопротивлением 50 Ом. Эти приборы имеют превосходные коэффициенты шума и усиления даже при напряжениях ниже 3 В; кроме того, все они подходят для применения в системах мобильной связи. Кремниевые монолитные СВЧ ИС обладают такими же ВЧ характеристиками (коэффициент шума, коэффицент усиления, и т.д.), что и схемы на дискретных транзисторах, т.е. в них используются технологические преимущества дискретных транзисторов. Используя преимущества в технологии, можно, например, значительно снизить ёмкость коллектор—база путём сокращения площади базы до чрезвычайно малых размеров. Соответствующее снижение обратной связи между базой и коллектором ведёт к получению высоких коэффициентов усиления в диапазонах частот до нескольких гигагерц. В то же время опимизированные этапы изготовления делают возможным получение более низких сопротивлений базы и, как следствие, меньших коэффициентов шума.

На Рис. 2.30 показана топология кристалла двухкаскадной монолитной СВЧ ИС. Активную структуру транзистора можно определить, найдя эмиттерные выводы. Использование подложки p-типа приводит к тому, что находящиеся на подложке активные структуры электрически изолированы, и обратную сторону кристалла можно напрямую соединять с землёй. В результате провод, соединяющий кристалл с землёй, может быть очень коротким, поскольку его можно припаять к выводной рамке прямо

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 54 из 589 (September 3, 2010, 15:09)

54 2. Диоды и транзисторы

		3				4
						5
					6
		4
			2			2	3
		1				1
			VPS05605			VPS05604
					6	5
						4
						7
			1	2	3
				P-TSLP-7-1
Рис. 2.30. Кристалл ИС T527 размерами		Рис. 2.31. Корпуса типа SOT и TSLP для
	330 360 мкм.	MMIC (4…7 выводов).
а)	+V	б)				+V

OUT

	OUT A
	OUT B
IN	IN

GND

GND

Рис. 2.32. Однокаскадная (а) MMIC (BGA 420) и двухкаскадная (б) MMIC (BGA 427).

рядом с кристаллом. В сочетании с подходящей выводной рамкой это приводит к более низким значениям индуктивности на землю и, следовательно, к б=ольшим значениям коэффициента усиления на высоких частотах. Покрытие золотом увеличивает надёжность монолитных СВЧ ИС. Для MMIC используются SMD-корпуса типа SOT (Small Outline Transistor) и значительно более плоские и миниатюрные корпуса типа TSLP (Thin Size Leadless Package) (см. Рис. 2.31).

Варианты исполнения

Однокаскадный усилитель BGA 420 (Рис. 2.32, а) состоит из активных структур, обеспечивающих оптимальное согласование, и резистивной цепи смещения. В данном случае RC-цепь обратной связи между коллектором и базой гарантирует согласование по входу во всей полосе пропускания от 0 до 3 ГГц. Сопротивление коллектора снижает разброс коэффициента усиления по току (обратная связь ток—напряже-

ние). С другой стороны, RC-цепь обеспечивает широкополосное согласование MMIC с нагрузкой сопротивлением 50 Ом.

В двухкаскадной ИС BGA 427 (Рис. 2.32, б) входной каскад аналогичен входному каскаду однокаскадной ИС BGA 420. Сопротивление коллектора первого каскада попутно задаёт рабочую точку второго каскада, представляющего собой эмиттерный повторитель. По различным причинам, в том числе и для того чтобы сделать MMIC более гибкой в использовании, во втором каскаде сопротивление коллектора отсутствует. Одна из функций эмиттерного сопротивления второго каскада заключается в обеспечении отрицательной обратной связи и стабилизации рабочей точки независимо от разброса параметров активной части второго каскада. Другой функцией является обеспечение широкополосного согласования выхода OUT A с 50-Ом нагрузкой. По сравнению с однокаскадной ИС BGA 420, двухкаскадный усили-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 55 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

2.6. Кремниевые монолитные СВЧ интегральные схемы (MMIC) упрощают разработку 55

Таблица 2.3. Основные характеристики отдельных MMIC, изготовленных по различным технологиям

					BGA 420			BGA 427	BGA 428		BGA 622
Количество усилительных						1		2	2		1
каскадов
Технология изготовления					SIEGET®-25,		SIEGET®-25,		SIEGET®-45,		SiGe,
					fT = 25 ГГц			fT = 25 ГГц	fT = 45 ГГц	fT = 70 ГГц
Тип корпуса					SOT343			SOT343	SOT363		SOT343
|S21|2, дБ
	при 0.1 ГГц					19		27	—		—
	1.0		ГГц			17		22	—		—
	1.8		ГГц			13		18.5	20		14
	2.1		ГГц			—		—	18		13.5
	2.4		ГГц			—		—	17		13
Коэффициент шума, дБ
	при 0.1 ГГц					1.9		1.9	—		—
	1.0		ГГц			2.0		2.0	—		—
	1.8		ГГц			2.2		2.2	1.4		1.1
	2.1		ГГц			—		—	1.4		1.1
	2.4		ГГц			—		—	1.5		1.15
IP3OUT, дБм
	при 0.1 ГГц					11.0		8.5	—		—
	1.0		ГГц			10.0		8.0	—		—
	1.8		ГГц			9.5		7.0	11		—
	2.1		ГГц			—		—	12		16
	2.4		ГГц			—		—	13		—
Напряжение питания, В						3.0		3.0	2.7		2.75
Ток (typ), мА						6.4		9.5	8.2		5.8
тель BGA 427 явно обладает более высоким								14 дБ. Вносимое затухание меньше, чем у
коэффициентом усиления (см. Табл. 2.3).								полностью выключенного усилителя из-за
В отличие от ИС BGA 420 и BGA 427,								селективной связи через ёмкость база—кол-
микросхема BGA 428 является узкополос-								лектор используемого транзистора. Данный
ным	усилителем.	Благодаря				технологии		режим работы активируется в мобильных
SIEGET®-45 стало возможным получить								телефонах для предотвращения перегрузки
более высокий коэффициент усиления и								последующих каскадов, когда уровень вход-
значительно меньший коэффициент шума								ного ВЧ сигнала очень высокий.
на высоких частотах, чем у BGA 427. Мик-								Однокаскадный малошумящий				усили-
росхема BGA 428 используется как малошу-								тель BGA 622 изготавливается			по	70-ГГц
мящий усилитель в различных системах мо-								кремний-германиевой технологии B7HF.
бильной связи,		например DCS 1800					и	Благодаря	оптимизированной		конструк-
PCS 1900. Это двухкаскадный						малошумя-		ции его коэффициент шума составляет по-
щий	усилитель.	Первый			транзисторный			рядка 1.1 дБ, что несравнимо меньше, чем у
каскад обеспечивает согласование по уров-								других кремниевых малошумящих усилите-
ню шумов в результате последующего слож-								лей, в то же время он имеет согласование по
ного согласования со вторым каскадом, при								мощности. Поскольку однокаскадный ма-
одновременном согласовании ВЧ входа по								лошумящий усилитель уже согласован как
мощности. Из-за этого достигается согла-								по входу, так и по выходу благодаря нали-
сование по входу лучше 10 дБ при коэффи-								чию встроенного в кристалл дросселя, его
циенте шума 1.4 дБ на частоте 1.8 ГГц. Кро-								запросто можно использовать и устанавли-
ме того, у BGA 428 имеется так называемый								вать во многих современных системах мо-
режим работы с шаговым изменением ко-								бильной связи (GSM, GPS, DCS, PCS,
эффициента усиления, при котором мало-								UMTS и т.д.). Кроме того, он может быть
шумящий усилитель работает как аттенюа-								выключен путём приложения постоянного
тор с уровнем вносимого затухания около								напряжения к его выходу.

	INFSEMI_2-Text.fm, стр. 56 из 589 (September 3, 2010, 15:10)
	56 2. Диоды и транзисторы
	2.6.1. Три схемы устройств							R1
	В зависимости от типа MMIC и предъяв-								GS
	ляемых к ней требований, можно создавать										RFOUT
	различные устройства. Далее приведены
									BGA428
	примеры трёх устройств.									C2
	Устройство 1. Малошумящий усилитель						RFIN	C1		L1
	на BGA 420 или BGA 427 с минимальным
	количеством внешних компонентов								C3	C4
											VCC
	Пример схемы малошумящего усилителя,
	которая	может	быть реализована		на	ИС	Рис. 2.34. Малошумящий усилитель на микро-
	BGA 420	или	BGA 427,	представлен		на
								схеме BGA 428.
	Рис. 2.33 (на фото изображён усилитель на
							четании с паразитными компонентами кор-
			C2	+V	C3		пуса SOT363, они преобразуют 50-Ом им-
							педанс внешней нагрузки на коллекторе в
			RFOUT
			100 пФ	4	3 1 нФ		более	высокий	импеданс,	действительная
							часть	которого	составляет	около 100 Ом,
							что позволяет получить более высокое зна-
							чение 1-дБ точки компрессии для второго
							каскада. Конденсаторы C3 и C4 служат для
			C1	1	2		развязки ВЧ сигнала от источника напря-
			RFIN				жения постоянного тока и обеспечения за-
				GND
			100 пФ				данного значения импеданса для ВЧ сигна-
	Рис. 2.33. Малошумящий усилитель на ИС						ла. Поэтому они должны располагаться
							близко к BGA 428 и рядом с дросселем L1.
	BGA 420 или BGA 427 с минимальным коли-						И наконец, резистор R1, подключённый к
	чеством внешних компонентов.						выводу GS, задаёт ток, а, следовательно, и
							вносимое затухание в режиме пошагового
	BGA 427 в корпусе SOT343). Чрезвычайно						изменения коэффициента усиления.
	простая конструкция требует использования						Устройство 3. Малошумящий усилитель
	только трёх внешних конденсаторов. Для оп-						на микросхеме BGA622 с улучшенным
	тимальной работы важно иметь хороший ВЧ						значением IP3
	шунт, включённый параллельно источнику						Благодаря оптимизированной конструк-
	питания; таким образом, выходной сигнал
							ции,	для простейшей схемы включения
	может быть полностью передан на выводы
							BGA 622 при работе на частоте 2.1 ГГц тре-
	OUT и OUT A. Именно поэтому конденсатор
							буется только два внешних компонента (C1
	C3 должен быть расположен как можно бли-
	же к выводу +V. Конденсаторы C1 и C2 слу-						и C4, см. Рис. 2.35).
	жат для блокировки постоянного напряже-						Дроссель L1 необходим, если требуется
	ния, прикладываемого к выводам 1 и 4.						улучшить согласование по входу на часто-
							тах ниже 2.1 ГГц (например для				GPS,
	Устройство 2. Малошумящий усилитель						1575 МГц). Для большинства устройств до-
	на BGA 428						полнительным требованием является высо-
	Для обеспечения оптимальных характерис-						кое значение точки интермодуляции треть-
							его порядка (IP3), поскольку, как правило,
	тик микросхеме BGA 428 требуется пять вне-
							на вход малошумящего усилителя одновре-
	ших пассивных компонентов (см. Рис. 2.34).
							менно подаётся		несколько	ВЧ сигналов.
	Конденсатор C1 на входе ИС только бло-
							В этом случае проблемой являются низко-
	кирует напряжение базы			первого	усили-
							частотные составляющие, которые возни-
	тельного каскада, для согласования по ВЧ
							кают из-за разности частот входных сигна-
	на частоте 1.8 ГГц он не нужен. Дроссель L1
							лов вследствие нелинейности характерис-
	и конденсатор C2 выполняют функции со-
							тики трензистора. Они приводят к нежела-
	гласующих элементов на выходе ИС. В со-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 57 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

2.7. Стабилизация тока при помощи стабилизатора рабочей точки BCR 400 57

			VCC	C3	10 нФ
	C2	100 нФ
		L2		C4	47 пФ
Вход		47 нГн
	C1
	L1
	3.9 нГн 47 пФ	1	4
			Q1
			BGA622		Выход
				R1
		2
			3
				0 Ом

Рис. 2.35. Малошумящий усилитель на микросхеме BGA 622 с повышенной точкой интермодуляции третьего порядка.

тельной амплитудной модуляции сигнала, поступающего на базу транзистора, которая накладывается на ВЧ сигналы. На выходе малошумящего усилителя невозможно отделить амплитудную модуляцию от искажений третьего порядка, воздействие помех будет таким же. Следовательно, задачей является снижение уровня указанных разностных составляющих без воздействия на рабочую точку по постоянному току и ухудшения согласования по ВЧ. Это обеспечивается путём подключения LC-цепи между входом малошумящего усилителя и землёй (L2 и С2). Для разностных составляющих в диапазоне нескольких мегагерц конденсатор C2 представляет очень низкий импеданс, а дроссель L2 осуществляет развязку по ВЧ. Это улучшает линейность устройства и повышает точку интермодуляции третьего порядка на несколько дБ, в то время как остальные ВЧ характеристики устройства практически не изменяются.

2.6.2.Мобильные телефоны — не единственная область применения MMIC

Помимо основной области применения, систем мобильной связи, MMIC применяются и в других устройствах, например в малошумящих усилителях для систем кабельного телевидения, в усилителях промежуточной частоты малошумящих блоков (LNB) для приёмников спутниковых сигналов или как генераторы сигналов в диапазоне нескольких мегагерц. BGA 420 превосходно подходит для использования, например, в качестве недорогого полностью согласованного буферного усилителя с очень хорошими изоляционными параметрами и

напряжением питания в диапазоне от 2 до 5 В. Благодаря гибкой концепции построения ИС BGA 427, она может применяться в усилителях промежуточной частоты или в управляемых током усилителях напряжения в трансиверах (приёмопередатчиках) для оптоволоконных систем связи. Используя каскодную схему BGA 416, очень легко спроектировать генератор с встроенными выходными буферными усилителями. Из-за высокой изоляции выходного каскада в обратном направлении схема генератора оптимальным образом изолирована от импеданса нагрузки, что значительно улучшает стабильность частоты.

2.7.Стабилизация тока при помощи стабилизатора рабочей точки BCR 400

В устройствах и системах мобильной связи требуется стабильность рабочей точки в широком диапазоне температур. В то же время они работают при низких рабочих напряжениях и низком токе потребления. Для подобных устройств компания Infineon Technologies предлагает активный стабилизатор рабочей точки BCR 400W.

Мобильные телефоны, системы автомобильной электроники и портативные устройства бытовой электроники являются классическими примерами мобильных устройств. В общем случае, к ним предъявляются требования по низким напряжениям питания, низкому току потребления и высокой стабильности рабочей точки даже при сильных колебаниях температуры. Кроме того, данные устройства должны иметь как можно меньшие габариты. Классические схемы стабилизации рабочего тока (подключённые параллельно или последовательно) иногда вызывают флуктуации стабилизированного рабочего тока, что неприемлемо при наличии флуктуаций напряжения, а также из-за диапазона усиления токов используемых транзисторов. Оптимизация данных схем требует б=ольшего количества компонентов и, следовательно, больше места в модуле. Более того, в этом случае снова требуется дополнительная мощность. Таким образом, в результате опыта, полученного при разработке транзисторов со встроенными резисторами («цифровые транзисторы»), был разработан однокристальный активный стабилизатор рабочего тока BCR 400. Основными примерами

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 58 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

58 2. Диоды и транзисторы

			RFOUT					Rext	+VS
RFIN
			RFIN				4	3
						RFOUT	BCR 400		Микро-
							1	2
		λ/4							схема
BCR 400				BCR 400		C2			таймера
		C2						8	4 (например
1	4			1	4			7	555-ой
									серии)
		Rext	C1			Rext		6	3
2	3			2	3			2
C1								1	5
C1 > C2		+VS	+VG			+VS
	а)				б)			в)

Рис. 2.36. Схемы с использованием стабилизатора рабочей точки BCR 400.

применения данной ИС являются ВЧ каскады мобильных телефонов (см. Рис. 2.36).

2.7.1. Принцип действия

Принцип действия BCR 400 можно проиллюстрировать на примере схемы стабилизации тока коллектора (Рис. 2.36, а), принципиальная схема ИС представлена на

Рис. 2.37.

0.65 В. Ток IE(pnp) примерно равен току базы IB(npn) управляемого транзистора, которым

можно пренебречь по сравнению с током

IB(pnp) при npn > 40. Следовательно, в первом приближении IC(npn) = 0.65 В/RGES и VCE(npn) = V – 0.65 В.

2.7.2.Зависимость от внешних факторов

4	3
	Rint
1	2

Рис. 2.37. Принципиальная схема BCR 400.

Регулируемый ток коллектора n-p-n-тран-

зистора IC вместе с током IE(pnp), протекая через сопротивление RTot = Rвнутр. || Rвнеш., создаёт падение напряжения V(I). Оно опре-

деляет потенциал эмиттера p-n-p-транзис- тора ИС BCR400, коллектор которого соединён с базой управляемого транзистора. Опорное напряжение Vref складывается из падений напряжения на двух диодах и определяет потенциал базы p-n-p-транзистора.

При протекании тока значение VEB(pnp) равно примерно 0.65 В, а Vref — примерно 1.3 В.

В результате напряжение внутри рабочей области V(I) также примерно составляет

Колебания рабочего напряжения

При увеличении рабочего напряжения V возрастает ток через опорные диоды, но Vref остаётся примерно таким же из-за экспоненциального характера характеристики диода. Следовательно, V(I) также изменяется незначительно, IC остается примерно постоянным, но значения VCE обоих транзисторов с ростом V возрастают.

Разброс характеристик регулируемого транзистора

Разброс характеристик регулируемого транзистора отражается, главным образом, на его коэффициенте усиления по току. Однако это почти не влияет на параметры контура, которые определяют ток. Б=ольшие или меньшие значения только изменяют

значение IE(pnp), которое в любом случае мал=о по сравнению с IC(pnp). Даже в крайнем случае, при = 10 значение тока IC снизит-

ся только примерно на 10%.

Колебания температуры

С одной стороны, колебания температуры вызывают сильное изменение , однако,

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 59 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

2.7. Стабилизация тока при помощи стабилизатора рабочей точки BCR 400 59

а)	б)
10	10
Традиционная	Традиционная
схема	схема
BCR 400	BCR 400
[мА]	[мА]
C	C
I	I

0		0
0	10	0	100	200
VBat [В]			HFE [В]

Рис. 2.38. Коррекция колебаний рабочего напряжения (а) и колебаний коэффициента усиления по току (б) регулируемого транзистора при помощи BCR 400 и традиционной схемы.

как описано выше, в большинстве случаев это не имеет последствий. С другой стороны, прямое падение напряжения на p-n-перехо- де изменяется на несколько милливольт, поскольку изменение падения напряжения на одном из диодов компенсируется анало-

гичным падением напряжения VEB(pnp) и некомпенсированным остаётся только темпе-

ратурный коэффициент одного диода. Его величина составляет около –2 мВ/К, и, следовательно, это приводит к изменению V(I) (и соответственно к изменению IC) самое большее на ±15% при изменении температу-

ры на ±50 К. Колебания VEB(npn) не играют никакой роли, потому что они не влияют на

контур, который определяет ток. Регулировочная характеристика BCR 400

представлена на Рис. 2.38. По сравнению с традиционными схемами, BCR 400 значительно лучше корректирует изменения ра-

бочего напряжения или даже коэффициента усиления по току регулируемого транзистора.

Технические характеристики

Предельные значения и электрические параметры BCR 400W приведены в Табл. 2.4. Здесь следует отметить малое падение напряжения, составляющее 0.7 В во всём диапазоне токов, как меньше, так и больше 200 мА.

BCR 400 может поставляться в двух исполнениях: BCR 400R в корпусе SOT143 (с размерами, аналогичными размерам корпуса SOT23) и BCR 400W в миниатюрном SMD-корпусе SOT343 (с размерами, аналогичным размерам корпуса SOT323). Оба исполнения этой микросхемы совместимы по выводам.

Таблица 2.4. Предельные значения и электрические параметры BCR 400

Предельные значения

Рабочее напряжение	VS	15 В
Ток управления	Iупр.	10 мА
Напряжение управления	Vупр.	8 В
Электрические параметры
Дополнительный потребляемый ток при VS = 3 В	I0	40 мА (max)
Минимальный стабилизируемый ток при VS = 3 В	Imin	0.1 мА
Изменение тока коллектора при
– изменениях температуры		0.2%/К
– изменениях рабочего напряжения (VS > 3 В)		0.15 VS/VS

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 60 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

603. СИЛОВЫЕ3. Силовые полупроводниковыеПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕприборы ПРИБОРЫ

Для того чтобы дать определение силового полупроводникового прибора и области его применения, рассмотрим блоки управления устройств, так называемые электронные блоки управления. В электронных блоках управления входной сигнал, получаемый с датчика, преобразуется в электрический сигнал. Затем, для получения соответствующих управляющих сигналов, этот сигнал обрабатывается устройствами обработки сигналов. И наконец, блок обработки сигналов подаёт управляющие сигналы на регулируемый блок, исполнительное устройство, для получения желаемого результата.

Наглядным примером может служить система обогрева автомобиля, регистрирующая температуру внутри салона при помощи датчика температуры. Напряжение с этого датчика (обычно в качестве датчика используется терморезистор с положительным температурным коэффициентом) сравнивается с заранее заданными пороговыми значениями температуры (верхним и нижним). Устройство обработки включает или выключает исполнительное устройство, например замыкает ключ, включая кондиционер, если температура внутри салона слишком высока.

Короче говоря, в электронных блоках управления производятся измерения, вычисления, задание уставок или, другими словами, в них всегда существует необходимость использования датчиков, микроконтроллеров и силовых полупроводниковых приборов.

3.1. Классификация

На Рис. 3.1 представлена общая блоксхема электронного блока управления.

Если разделить электронный блок управления на функциональные блоки, то можно выделить блок электропитания, интерфейс обмена данными, микроконтроллер с периферийными устройствами (память и т.д.), устройства последующей обработки сигналов (например, АЦП) и исполнительные устройства. Силовые полупроводниковые приборы используются, главным образом, в исполнительных устройствах и в источниках питания.

Контроллеры такого типа можно найти в бесчисленном количестве устройств, не говоря уже о ноутбуках, мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, а также в автомобилях и во множестве про-

Датчик

шинный интерфейс, предварительная обработка сигнала

данными	Интерфейс и предв. обработка сигналов
Обмен

Блок управления D

Блок управления C

Блок управления B

Микроконтроллер ЭСППЗУ

Блок питания и специальных функций

Блок управления A

Блок питания

Драйвер запуск и диагностика

Электропитание

Драйвер

клапаны, реле, лампы, электродвигатели

Рис. 3.1. Блок-схема электронного блока управления.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 61 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

3.1. Классификация 61

	Ток
		Промышленная электроника
Цена	Напряжение	большой мощности
		Мощные промышленные
		интеллектуальные устройства
		Автомобильная электроника
		большой мощности
		Мощные автомобильные
		интеллектуальные устройства
Объём	Температура	Интеллектуальные
		мощные устройства
		для бытовой электроники

Сложность

Рис. 3.2. Профили областей применения силовых полупроводниковых приборов.

мышленных устройств. Всё чаще электронные приборы заменяют электромеханические, например реле. Поскольку они должны работать в более сложных приборах, требования по надёжности отдельных компонентов (защита от короткого замыкания и от перегрузки) становятся ещё жёстче. Диагностические функции должны облегчить поиск неисправности в случае отказа и повысить ремонтопригодность. Именно поэтому микросхемы управления и стабилизации в электронных блоках управления часто соединяют в распределенные сети. Они могут иметь очень простую структуру или же, в крайних случаях, могут работать как весьма сложные контроллеры. В связи с этим термин «силовой полупроводниковый прибор»

взначительной степени определяется типом рассматриваемого устройства, поскольку, в зависимости от области применения, коммутируемая мощность может отличаться на несколько порядков.

Однако в любом случае одной из функций данных приборов является приведение

вдействие исполнительных механизмов, например электродвигателей, ламп, нагревательных резисторов и других электромагнитных приводов. Другой их функцией является обеспечение электроэнергией управляющего устройства в целом. В этом случае наиболее важным параметром становится эффективность (КПД). Наряду с увеличением функциональности постоянно происходит снижение энергопотребления. Если рассматривать это с точки зрения миниатю-

ризации, то можно обнаружить, что плотность выделяющейся в современных микропроцессорах энергии (Вт/м3) с недавних пор достигла плотности энергии, выделяемой в топливном стержне ядерного реактора. Это ставит новые задачи перед силовой электроникой.

Для того чтобы разъяснить эти специфичные для каждой области применения силовых полупроводниковых приборов требования, рассмотрим подробнее три основные области их применения: промышленность, автомобилестроение и бытовая электроника.

Наиболее важные параметры для этих областей представлены на Рис. 3.2 в виде отрезков прямых, выходящих из начала координат и имеющих свой вес для каждой области применения. Вершины этих отрезков образуют замкнутый контур, который представляет собой профиль области применения.

Наиболее важными параметрами являются ток, напряжение, диапазон рабочих температур и требования по электромагнитной совместимости (EMC). Рыночные характеристики представлены объёмом (в штуках) и ценой.

Сложность устройств также вводится в

качестве параметра. По этому параметру рынок промышленной и автомобильной электроники можно разделить на две подгруппы: силовая электроника высокой мощности и интеллектуальная силовая электроника.