4.9.2.Диоды Шоттки

В отличие от ранее рассмотренных, диоды Шоттки (Schottky) образуются на основе контакта металл — полупроводник (рис. 3.15, а), создаваемого напылением металла на полупроводник в вакууме. На рис. 3.15, б приведено условное обозначение диода в электрических схемах.

Рис. 3.15

Работу, которую необходимо выполнить для вылета электрона за пределы твердого тела, называют работой выхода. Разность работ выхода для двух тел, выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

Если работа выхода электронов из металла больше работы выхода электронов из полупроводника типа n, то часть электронов перейдет из полупроводника в металл. Из-за этого в приконтактной области полупроводника образуется не скомпенсированный электронами положительный заряд ионов донора. Этот заряд и образует разность потенциалов, препятствующую переходу электронов в металл. Так как в рассматриваемой области число основных носителей значительно меньше, чем вдали от контакта, то она обладает повышенным сопротивлением, практически равным всему сопротивлению диода.

Внешнее напряжение, приложенное плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, складывается с контактной разностью потенциалов. При этом еще больше обедняется носителями приконтактный слой и увеличивается его сопротивление. Напряжение такой полярности является обратным, и ток, протекающий через контакт, весьма мал и сравним с тепловым током обычных кремниевых диодов. Противоположная полярность внешнего напряжения вызывает поток основных носителей через контакт.

Математическая модель диода Шоттки имеет вид:

. (3.12)

Выражение для тока диода Шоттки совпадает по форме с (3.2); но вместо потенциала используется контактная разность напряжений . Поскольку , то прямое падение напряжения на диоде Шоттки примерно на 0,2 В меньше, чем у кремниевого р-n-перехода.

Глава пять

5. Однокаскадные усилители

4.1. Принципы построения однокаскадных усилителей

Как уже отмечалось в разделе 2.1, повышение уровня сигналов осуще­ствляют с помощью спе­циальных устройств — усилителей. Повторим его определение.

Усилитель — это устройство, предназначенное для увеличения интенсивности электрических колебаний на нагрузке под воздействием входного (управляющего) сигнала (воздействия) за счет энергии вспомогательного источника.

Во втором разделе усилитель описан как один из элементов системы с определенными статическими и динамическими характеристиками. Ниже, исходя из системного подхода, будем создавать усилители в общем случае из резисторов, транзисторов и конденсаторов так, чтобы он обладал характеристиками, задаваемых в функциональном аспекте проектирования.

Следовательно, теперь уже усилитель рассматривается как компонент, реализующей заданное преобразование сигналов и отвечающей на вопросы из каких элементов и как он устроен.

Функциональный аспект. Сначала ограничим рассмотрение принципов построения линейного усилителя высокочастотных сигналов переменного тока. В зависимости от того, какую физическую величину (напряжение, ток или мощность) в первую очередь необходимо усилить будет строиться компонент с одной из передаточных функций

(4.1)

где индексом "вых" у величин, стоящих в числителях передаточных функций, указана выходная переменная усилителя, а индексом "с" обозначена переменная источника сигнала.

Выражения (4.1) показывают, что зависимость (для определенности ) должна быть в заданном диапазоне входных сигналов линейной (рис.4.1,а).

амплитудно-частотная характеристика (рис.4.1,б) усилителя высоких частот должна отражать падение коэффициента усиления по мере уменьшения частоты входного сигнала (постоянный ток не усиливается). Такими строят усилители в гигагерцовом диапазоне частот, так как на более низких частотах применяют усилители с полосой пропускания от постоянного тока до области высоких частот.

В области высоких частот уменьшение коэффициента усиления связано с возрастанием шунтирующего действия малых межэлектродных емкостей, всегда имеющихся между общей шиной питания электронных устройств и их входами и выходами.

Чем выше частота f_в, тем меньше время нарастания и спада усиливаемых импульсных сигналов.

Структурный аспект. Чтобы ответить на вопрос, какой же должна быть схема усилителя, следует обратиться к его определению, данному в начале раздела.

Из определения следует, что для получения схемы усилителя необходимо соединить некоторым образом следующие элементы: источник питания усилите­ля (U_п), нагрузку (R_н) и управляемый входным сигналом (u_с) элемент, который регулирует поступление электрической энергии от источника U_п в нагрузку в соответствии с усиливаемым сигналом. Такими элементами могут быть, например управляемые напряжением или током проводимости или сопротивления.

Фактически "усилитель" является преобразователем напряжения питания U_п в напряжение или ток I_н в нагрузке R_н, которые соединены между собой, например, через включённый последовательно с ними (рис.4.6,в) резистор с управляемой проводимостью (последовательный принцип построения).

, (4.2)

если в (4.2) выполняется соотношение

. (4.3)

Так как сопротивление нагрузки задано, то неравенство в выражении (4.3) может быть выполнено путём выбора такой управляемой проводимости, при которой справедливо .

Таким образом, ток I_н прямо пропорционально зависит от управляемой проводимости, а при линейной зависимости управляемой проводимости от тока источника сигнала , он прямо пропорционален току i_c . Следовательно, такой усилитель может использоваться в качестве усилителя тока(см.).

Управляемая проводимость может быть подключена не только последовательно, но и параллельно нагрузке (рис.4.1,г) (параллельный принцип построения). Однако нагрузку нельзя подключить напрямую к источнику питания, так как в этом случае напряжение и ток через неё будут зависеть только от напряжения U_п. Поэтому этот источник общий и для других устройств кристалла подключён к нагрузке через балластный резистор R_бал, преобразующий источник напряжения U_п в источник тока только для этого каскада U_п/R_бал = U_пg_бал (рис. 4.1, д). Желательно, чтобы этот ток больше ни от чего не зависел:

Тогда, изменяя управляемую проводимость, изменяют её ток и автоматически, в соответствии с вышеприведённым равенством, изменится в противоположную сторону на такую же величину ток нагрузки.

Напряжение на нагрузке R_н в схеме рис. 4.1,г равно

_(4.4)

_{где знак минус отражает противоположные изменения токов управляемой проводимости и нагрузки, под воздействием напряжения сигнала uс.}

Это напряжение изменяется тем сильнее, чем больше разность и чем сильнее неравенство Как было показано ранее, приведенное неравенство соответствует условию согласования выходного сопротивления усилителя напряжения с сопротивлением нагрузки.

Еслинеравенство выполняется, то тогда напряжение на нагрузке будет равно

_{. (4.5)}

Переменное напряжение на нагрузке (u_н) является следствием

изменения проводимости g_y, управляемой напряжением u_с. Из уравнения (4.5) хорошо видно, что возникает оно благодаря преобразованию постоянного тока U_пg_бал в источник переменного напряжения U_пg_бал/g_у(u_c) за счёт того, что изменяется проводимость g_у.

Итак, данная структура (рис. 4.1,г) может быть использована в качестве усилителя напряжения, если выполняется вышеприведённое неравенство .

Рис.5.1

Заменить управляемый резистор можно транзистором. слово transistor является объединением двух сокращённых английских слов TRANsfer - передавать, перемещать и reSISTOR - сопротивление, т.е. передаточное, переменное сопротивление.

Прежде чем заменять управляемый резистор транзистором, приведём его характеристики и модели, используемые в символьных расчётах, а также при применении программ автоматизированного расчёта токов, напряжений во всех элементах микросхем; а также частотных и временных характеристик.