Elektronika_i_skhemotekhnika

падающего на р-n-переход излучения и практически не зависит от напряжения смещения.

Ввентильном режиме от протекающего через диод фототока возникает падение напряжения на его сопротивлении несколько меньшем Uотп. Таким образом, осуществляется прямое преобразование световой энергии в электрическую энергию.

Вфотодиодах время установления фототока после начала облучения светом составляет 10-7-10-8 с. Спектральные характеристики практически охватывают всю видимую и инфракрасную области спектра. При этом чувствительность, т.е. отношение фототока к освещенности, обычно близка к

0,1 мкА/лк.

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.

а)	металл	полупроводник	б)
			+
	U
			-	I

+

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:

U д

I I0 (emUS 1) .

(3.12)

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

ГЛАВА ПЯТЬ

5. ОДНОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

5.1. 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

K

u

s

Uвых s

,

K

s

Iвых s

,

K

p

s

Pвых s

,

Uc s

i

Ic s

Pc s

(5.1)

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

переменная источника сигнала.
Выражения	(5.1) показывают,	что зависимость (для определенности
Uвых s	Ku s Uвх s ) должна	быть в заданном диапазоне входных

сигналов линейной (рис.5.1,а).

амплитудно-частотная характеристика (рис.5.1,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 fв, 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 (Uп), нагрузку (Rн) и управляемый входным сигналом (uс) элемент, который регулирует поступление электрической энергии от источника Uп 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 Uп в напряжение или ток Iн в нагрузке Rн, которые соединены между собой, например, через включѐнный последовательно с ними (рис.4.6,в) резистор с управляемой проводимостью (последовательный принцип построения).

iн		Uп				при gу uс	1	;
	Rу iс Rн						Rу iс
								,	(5.2)
		Uп gу iс
iн
		1 Rнgу iс
если в (5.2) выполняется соотношение
1 gу iс Rн , то						iн ic Uп gу iс .			(5.3)

Так как сопротивление нагрузки задано, то неравенство в выражении (5.3) может быть выполнено путѐм выбора такой управляемой проводимости, при которой справедливо gн gу iс .

Таким образом, ток Iн прямо пропорционально зависит от управляемой проводимости, а при линейной зависимости управляемой проводимости от тока источника сигнала gу iс , он прямо пропорционален току ic. 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 неѐ будут зависеть только от напряжения Uп. Поэтому этот источник общий и для других устройств кристалла подключѐн к нагрузке через балластный резистор Rбал, преобразующий источник напряжения Uп в источник тока только для этого каскада Uп/Rбал = Uпgбал(рис. 4.1, д). Желательно, чтобы этот ток больше ни от чего не зависел:

Uп gбал iбал igу igн const

Тогда, изменяя управляемую проводимость, изменяют еѐ ток и автоматически,

в		соответствии с		вышеприведѐнным		равенством, изменится в
противоположную сторону на такую же величину ток нагрузки.
Напряжение на нагрузке Rн в схеме рис. 5.1,г равно
u		g у	Uпgбал			(5.4)
	н
			gбал gн	gу uс

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

Это напряжение изменяется тем сильнее, чем больше разность gу max gу min и

чем сильнее неравенство gу min gн + g	бал	.	Как было показано ранее,

приведенное неравенство соответствует условию согласования выходного сопротивления усилителя напряжения с сопротивлением нагрузки.

Если неравенство выполняется, то тогда напряжение на нагрузке будет равно

	uн gу	Uпgбал	Uпgбалrу uc .	(5.5)
		gу uс

Переменное напряжение на нагрузке (uн) является следствием

изменения проводимости gy, управляемой напряжением uс. Из уравнения (4.5) хорошо видно, что возникает оно благодаря преобразованию постоянного тока Uпgбал в источник переменного напряжения

Uпgбал/gу(uc) за счѐт того, что изменяется проводимость gу.

Итак, данная структура (рис. 5.1,г) может быть использована в качестве усилителя напряжения, если выполняется вышеприведѐнное неравенство

gу min gн + gбал . .

Рис.5.1

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

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

5.2. Транзисторы и их модели Общие положения.

Основным элементом усилителей и многих других электронных устройств является полупроводниковые транзисторы. Кратко рассмотрим историю создания элемента, играющего наиболее существенную роль в развитии информационной и вычислительной техники, в системах управления и т.д.

История создания транзисторов и интегральных схем.

В лаборатории Белл Телефон в 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн открыли транзисторный эффект и создали первый транзистор. За эти работы они вместе с теоретиком Уильямом Шокли, получили Нобелевскую премию по физике за 1956 год.

Заметим, что Бардин стал первым и пока единственным лауреатом Нобелевской премии по физике, получившим вторую медаль за построение в

1957 г. микроскопической теории сверхпроводимости совместно с Л. Купером

иД. Шиффером.

В1950 году Станиславом Тегнером был изобретен полевой транзистор, ставший основным элементом современных интегральных схем благодаря практически нулевому входному току полевых транзисторов в статическом состоянии.

Первая интегральная микросхема, выполняющая логические операции и запоминание информации, была изготовлена в 1963 году Килби и Нейзом.

В 1971 году был изготовлен первый микропроцессор, состоявший уже из блоков: логических, арифметических, хранения информации и управления ими. Микропроцессором выполнялись разнообразные вычислительные и логические операции.

Стех пор совершенствование технологии и автоматизации

проектирования интегральных схем развивается огромными тепами. Экспериментально американским исследователем Муром было обнаружено, что примерно каждые три года число элементов кристалла удваивается за счѐт уменьшения размеров транзисторов и совершенствования их структур, а также совершенствования структурных решений компонент, подсистем и электронных систем. Эту зависимость назвали законом Мура. Он был обнаружен в начале семидесятых годов прошлого века и подтверждается по настоящее время.

В качестве единицы измерения размеров элементов на полупроводниковом кристалле служит минимальная ширина базы биполярного транзистора или минимальная длина канала полевого транзистора. Начавшись с десятка микрометров, базовый размер в настоящее время (декабрь 2007 г.) достиг 30 нанометров, а чип памяти фирмы Samsung содержит 6,6 ∙108 транзисторов и ещѐ несколько десятков вспомогательных блоков.

Современные чипы представляют собой многослойные структуры (6-7 слоѐв), содержащие соединительные провода; коммутирующие их транзисторы; каналы отвода тепла (воздушные и водяные); параллельно работающие процессоры со своей оперативной памятью; интерфейсные аналоговые устройства и разнообразные преобразователи физических величин в электрические. Это так называемые системы на кристалле.

Очевидно, что проектирование кристалла с таким числом элементов и разнообразных по принципу действия может осуществляться только с

помощью мощнейших программных комплексов, включающих в себя все аспекты проектирования и разрабатываемые почти параллельно в соответствии с приведѐнной спиралевидной моделью проектирования( см.).

Невозможно развитие электронных устройств за счѐт развития только какого-либо одного аспекта. Например, до 80% площади кристалла занимают соединительные провода и транзисторы, коммутирующие соединения.

Аналоговые устройства занимают площадь на кристалле около 15-20 % , а время их проектирования достигает 80% от времени проектирования цифровых и аналоговых устройств. Причѐм, цифровые подсистемы занимают на кристалле площадь порядка 70...80%, а время их проектирования составляет

20%.

Такое большое время проектирования аналоговых устройств существенно замедляет процесс проектирования и развития сложных электронных систем. Оно обусловлено слабой развитостью методов проектирования структурного аспекта. В результате значительное время тратится на интуитивный поиск (на поиск новых схемных решений, патентуемых во всѐм мире) эффективных решений. В книге даѐтся логическое описание процедур решения подобного типа проблем на примерах решения учебных задач.

5.2.1.Биполярные транзисторы Структурный аспект (см.). Биполярный транзистор построен из двух

последовательно и встречено включенных взаимодействующих р—n- переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они расположены на полупроводниковом кристалле так близко, что образуется объединѐнная область (p или n) двух переходов называемой базой. В результате образуется структура n-p-n или p-n-p. В базе примесей, создающих возможность для протекания тока, на тричетыре порядка меньше, чем в крайних областях. Поэтому основные носители из крайних областей под действием градиента концентрации переходят в область базы, в которой они уже оказываются не основными носителями заряда.

Конечно, из базы еѐ основные носители также переходят в крайние области, но этот поток носителей очевидно много меньше предыдущего и его в расчѐтах практически учитывают очень редко.

Так как основными носителями у транзисторов п—р—n-типа являются электроны, то они являются более быстродействующими по сравнению с

транзисторами р—п—р-типа, у которых основными носителями заряда являются дырки, перемещающиеся по транзистору более медленно. Поэтому первые широко применяются в интегральных схемах. Однако транзисторы р— п—р-типа в целом ряде случаев удачно дополняют первые (см. раздел 4.3).

Условные обозначения транзисторов обоих типов в электрических схемах приведены на рис. 4.2, а. Буквы у выводов транзисторов означают: Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор. Кружок у транзистора (на рисунке показан только у транзистора р—п—р) означает, что кристалл помещен в корпус. По стандартам допустимы оба обозначения для транзисторов, имеющих корпус.

В интегральных схемах у отдельного транзистора корпуса нет. В книге чаще всего будет применяться изображение транзистора без корпуса.

Плоская модель структуры транзистора (рис. 4.2, б) отражает реальное различие в площадях обоих р—n-переходов. При пояснении работы транзисторов пренебрежем пассивными (неработающими) областями переходов (I на рис.4.2, в).

Функциональный аспект проектирования(см.). При отсутствии внешних напряжений на выводах транзистора на р—n-переходах возникают потенциалы mUT (здесь введен поправочный коэффициент m, показывающий отличие реального перехода от модели диода Молла-Эберса). Эти потенциалы препятствуют проникновению в базу неосновных для нее носителей заряда — электронов.

Подключение источника напряжения Uбэ, создаѐт поток электронов из эмиттера в базу. Благодаря тонкой базе большая часть электронов не рекомбинируют, а достигает коллекторного перехода. Его потенциал mUT (ключ K1 замкнут, а ключ К2 разомкнут) способствует переходу электронов (но не дырок!) в коллектор, поэтому в цепи коллектора идет ток Iк.

Если сопротивление нагрузки Rн достаточно велико, то напряжение Uн= IкRн начнет компенсировать потенциал mUT и его втягивающее действие на электроны уменьшится. Вследствие этого значительно возрастет рекомбинация электронов с дырками в базе, увеличивая тем самым ток базы Iб и уменьшится ток Iк.

Чтобы сохранить собирающие свойства закрытого коллекторного перехода, последовательно с сопротивлением нагрузки включают источник постоянного напряжения Uп (ключ К1 разомкнут, а К2 — замкнут), который компенсирует напряжение Uн при достаточно большом сопротивлении Rн.

Однако при токах эмиттера и коллектора, превышающих некоторое значение, компенсация Uн может исчезнуть и тогда оба р-n - перехода окажутся открытыми. Это так называемый режим двойной инжекции (насыщения) широко используемый в логических элементах.

Рис. 5.2

Ток эмиттера, как и у обычного диода, описывается формулой (3.2), а ток коллектора связан с ним соотношением

ст Iк Iэ ,

(4.6)

которое для современных транзисторов составляет 0,95—0,999. У транзистора напряжение и ток связаны очевидными соотношениями

Uêý Uáê

Uáý ;

Iý Iê

Iá .

(4.7)

В связи с тем, что сопротивление открытого перехода невелико, напряжение Uбэтранзистора также мало. Для кремниевых транзисторов оно лежит в пределах 0,4—0,7 В. В то же время напряжение Uн, создаваемое током IкIэ, может быть значительно больше, поскольку прикладывается к закрытому коллекторному переходу (ясно, что максимальное Uн = Uп ).

Таким образом, изменения напряжения на нагрузке могут значительно превышать изменения напряжения Uбэ. благодаря этому свойству транзисторы нашли широкое применение в электронике.

Транзисторы могут управляться по-разному. Ориентиром здесь могут служить следующие соображения. Если цепь, последовательно с которой включен переход база-эмиттер, высокоомна, то вероятнее всего транзистор работает в режиме с заданным током базы. Согласно уравнению (5.3) получается схема усилителя тока, в которой коллектор транзистора подсоединѐн к источнику Uп, а эмиттер -- к нагрузке .

Наоборот, при малых сопротивлениях в цепи эмиттера (схема включения транзистора с общей базой)можно считать заданным ток эмиттера (напряжение Uбэ). Выходным же является ток коллектора или эмиттера для первого варианта