Билет 15.1. Емкость р-n-структуры
Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.
Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.
Барьерная емкость соответствует обратно включенному p-n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями
Cбар = ɛ ɛ0 S / δ (1.19)
где ɛ – относительная диэлектрическая проницаемость;
ɛ0 – электрическая постоянная (ɛ0 ≈ 8,86*10-12 Ф/м);
S – площадь запирающего слоя;
δ – толщина запирающего слоя.
Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади перехода Cбар может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения толщина перехода увеличивается и емкость Cбар уменьшается. Характер зависимости Cбар = f (Uобр) показывает график на рис.1.22. Как видно, под влиянием Uпроб емкость Cбар изменяется в несколько раз.
Билет 15.2. Усилители на основе оу
Проще всего построить усилительный каскад на основе операционного усилителя (ОУ). Усилители на основе ОУ обладают широким диапазоном частот, высокой стабильностью и надежностью, малыми габаритами и массой. Входное сопротивление идеального ОУ стремится к бесконечности, выходное - к нулю, амплитуда выходного напряжения стремится к напряжению источника питания. В реальности всё чуток хуже. На рисунке 8 показаны типичные схемы усилителей на основе ОУ.
Рис. 8 - Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя на основе ОУ
В первой схеме сигнал подается на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180º. Другими словами, усилитель инвертирует сигнал и потому называется инвертирующим. Если сигнал подается на неинвертирующий вход (вторая схема), выходной сигнал совпадает по фазе со входным. Т. е. усилитель не инвертирует сигнал и потому называется неинвертирующим.
Высокая стабильность параметров достигается путем введения глубокой ООС по постоянному и переменному токам (на схемах это резик R3).
Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с ООС равен отношению сопротивлений резиков R3 и R1 и не зависит от параметров ОУ. То есть, если R1=1 кОм, R2=20 кОм, то коэффициент усиления составит K=R3/R1=20/1=20. Резик R1 можно вообще выкинуть, тогда сопротивление резика R2 должно быть равно выходному сопротивлению источника сигнала, а коэффициент усиления будет определяться как отношение сопротивления резика R3 и выходного сопротивления источника сигнала.
Не следует выбирать слишком уж большой коэффициент усиления (тысячи и больше), поскольку при этом сужается полоса рабочих частот ОУ, а точнее снижается верхняя граничная частота. Чем выше коэффициент усиления, тем ниже верхняя частота.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя равняется сопротивлению R1, а выходное определяется по формуле:
Rвых = Rвых.ОУ / (1 + βKU ОУ),
где Rвых.ОУ - выходное сопротивление ОУ без ООС, β = R1/(R1+R3) - коэффициент передачи обратной связи, KU ОУ - коэффициент усиления ОУ без ООС (по справочнику).
Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления определяется по формуле:
KU = 1 + R3 / R2
Отличительным свойством неинвертирующего усилителя является его высокое входное сопротивление, которое определяется:
Rвх = Rвх.ОУ(1 + βKU ОУ),
где Rвх.ОУ - входное сопротивление ОУ (по справочнику). Выходное сопротивление определяется также, как и для инвертирующего усилителя.
Если во второй схеме на рисунке 8 соединить выход и инвертирующий вход (тот, что с кружочком), то получится повторитель с очень большим входным сопротивлением и коэффициентом передачи, близким к единице. Такой повторитель используется для согласования источника сигнала с последующим каскадом. К тому же, такой повторитель может передавать напряжение постоянного тока, не внося при этом дополнительного сдвига уровня напряжения. В этом случае кондер С1 надо выкинуть.
Инвертирующий усилитель может выполнять функции инвертирующего сумматора, если на его инвертирующий вход подать через резики сигналы от разных источников. Выбирая сопротивления резиков сигналы можно сложить с разными масштабными коэффициентами. Ну а если опосля резиков поставить селектор входов, то получим предварительный усилитель на несколько входов и соответствующими коэффициентами усиления.
Билет 16