1.6.2 Фотоэлектронные полупроводниковые приборы

Существует целый ряд диодов, использующих самые различные явления и эффекты, имеющие место в р-n переходе {глава 1.3}. Так, варикап (емкость, управляемая напряжением) использует зависимость емкости обратносмещенного перехода от приложенного напряжения. Фотодиод основан на явлении генерации носителей заряда в область перехода и возникновении фотоэдс под действием света. Светодиод основан на свойстве электронно-дырочных пар испускать квант света при их рекомбинации и т.д.

Рис.1-28 Виды оптоэлектронных приборов

Рис.1-29 Фотодиод в режиме генерации фотоЭДС.

При освещении р-п перехода происходит разрыв ковалентных связей образовавшиеся неосновные носители {глава 1.5.1} втягиваются переходом В слоях возрастает количество основных носителей (в р-слое - дырок, в п-слое - электронов), что создает разность потенциалов между слоями, зависящую от освещенности перехода(рис 1-29).

Рис.1-30

Если в цепь фотодиода включить источник ЭДС в обратном направлении (рис1-30), то при освещении возрастает количество носителей и обратный ток возрастает пропорционально величине светового потока Ф.Возникающий ток почти не зависит от величины приложенного напряжения(рис 1-31).

Рис.1-31 ВАХ фотодиода Рис.1-32 Включение светодиода

Светодиод представляет собой излучающий р-п переход,свечение которого вызвано рекомбинацией носителей при смещении перехода в прямом направлении под действием приложенного напряжения (рис.1-32).

Фототранзистор -это обычный транзистор {глава 1.5.1}, в корпусе которого сделано окошечко, через которое световой поток попадает на базу При освещении базы фототранзистора образовавшиеся носители втягиваются переходами, увеличивается ток базы. Это вызывает значительно большее изменение тока коллектора, так как транзистор подключен к источнику ЭДС.

Оптрон - полупроводниковый прибор, в котором происходит передача сигналов от входной к выходной части электронного устройства с помощью фотонов, без использования гальванических, магнитных или иных связей.

Оптрон состоит из светодиода, оптическое излучение которого воздействует на светоприемник - фоторезистор, фототиристор или фототранзистор. Оба полупроводниковых элемента заключены в общий корпус. Выводы от светодиода являются входом, а выводы от свето-приемника - выходом оптрона. Величиной выходного сигнала оптрона управляют, изменяя величину входного сигнала.

1.6.3 Интегральные микросхемы

Микросхема - это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определеннуо функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов. диодов. резисторов. конденсаторов и др.), изгототовленных в едином технологическом цикле.

Микросхемы изготавливают групповым методом, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупрововодниковые. пленочные и гибридные. В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки, в пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и индуктивности. В гибридной микросхеме в качестве активных электрорадиоэлементов используется навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов-пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка.Она выполняет функции механического основания, изоляции элементов друг от друга. теплоотвода.Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин.

Для полупроводниковых микросхем используюг монокристаллические полупроводниковые (кремний,арсенид галлия ) и монокристаллические диэлектрические (сапфир) подложки.На них в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала ,в котором создают элементы микросхем.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К. которая характеризуется числом содеращихся в ней элементов и компонентов N: К =lgN. где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

а) Малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1- 2-й степени интеграции, содержащие от нескольнж до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов. Например, логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилителей, фильтров и т.д.

в) Средние интегральные схемы [СИС] - схемы 2-3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство).

г) Большие интегральные схемы (БИС) - схемы 3-4-й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов. в состав которых входят одно или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство ,перепрограммируемое постоянное запоминающее.

д) Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС] - это интегральные схемы 5-7 степени интеграции представляющиесобой законченное микроэлектронное изделие ,способное выполнять функции аппаратуры (например, микропроцессор).

Рис.1-33 Полупрводниковая ИС

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы. На рис.1-33 показаны полупроводниковая микросхема инвертора и его принципиальная схема. Элементы для наглядности расположены в одну линию.Все элементы размещены в одной кремниевой пластине {глава 1.2.1} р-типа. Для исключения взаимного влияния активные и пассивные элементы размещаются в островках, изолированных от подложки. Сверху подложка защищена изоляционным слоем, на который нанесены проводящие дорожки, соединяющие элементы между собой.

Для производства микросхем применяется планарная технология, помогающая одновременно получать большое количество микросхем в едином технологическом процессе. На одной пластине кремния создаются различные структуры, образующие законченную схему, включающую активные и пассивные элементы.

Основными полупроводниковыми материалами, на которых в настоящее время изготавливаются полупроводниковые микросхемы являются кремний и германий.Однако более перспективным. является кремний. Сн легко поддается селективной диффузии, имеет более высокое сопротивление и позволяет расширить интервал рабочих температур микросхем. На поверхности кремния легко создается окисная пленка. которая служит защитным покрытием при проведении ряда технологических операций и предохраняет готовую схему от внешних воздействий.

Рис.1-34 Фотошаблоны

После окисления поверхности пластины необходимо выделить на ней локальные области, в которые должна проводиться диффузия. Для этой цели применяют метод фотолитографии. Для изготовления микросхем нужно несколько (5-20) разных фотошаблонов. На рис.1-34 показан набор фотошаблонов для изготовления несложной микросхемы.

Описанный процесс изготовления позволяет получить сразу несколько десятков микросхем средней и высокой степени интеграции, т. е. столько, сколько может быть размещено на одной пластине кремния диаметром около 70 мм. Пластина разделяется на отдельные микросхемы. которые герметизируются в корпусе. Предварительно контактные площадки микросхемы соединяются проводниками с выводами корпуса.

2 Усилители

2.1 Основные параметры

Электронный усилитель - это устройство, повышающее напряжение, ток и мощность электрического сигнала за счет управ­ления током мощного источника питания. Практически везде, где применяются электронные устройства, электрические сигналы приходится усиливать, причем в каждом конкретном устройстве требуются свои параметры, и характеристики усилителя. Выпускать готовые усилительные устройства с очень широкой номенклатурой, удовлетворяющие любого потребителя, практически невозможно. Поэтому промышленностью освоен выпуск ряда базовых электронных усилителей, параметры и характеристики которых можно перестраивать внешними цепями, Особое место среди них занимают операционные усилители (ОУ), которые в настоящее время являются универсальными базовыми элементами для построения электронных усилителей и других аналоговых узлов электронной аппаратуры.

Параметры и характеристики усилителей на основе ОУ

Список основных параметров электронных усилителей содержит более 30 наименований. Одним из важнейших параметров является коэффициент усиления по напряжению Кu - отношение выходного напряжения усилителя к входному напряжению.

Кu =Uвых /Uвх .

Такие параметры как входное сопротивление Rвх и выходное сопротивление Rвых позволяет оценить согласование электронного усилителя с другими электронными узлами, подключенными к усили­телю.

Входное сопротивление Rвх позволяет рассчитывать влияние входной цепи усилителя на электрические параметры устройства, подключенного к ней, и определять мощность, потребляемую вход­ной цепью усилителя.

Rвх = dUвх / dIвх, где

dUвх - приращение напряжения на входе усилителя;

dIвх - соответствующее dUвх приращение тока на входе усилителя.

Ряд параметров, таких как напряжение смешения Uсм, входной ток Iвх, нелинейность коэффициента усиления (зависимость К от входного напряжения), максимальный размах выходного напряжения и прочие, определяют отличие свойств реальных усилителей от идеального линейного усилителя и позволяют определять погрешности усиления входного сигнала. Для этих же целей вводится ряд характеристик усилителей - амплитудно-частотная, фазочастотная, температурная, амплитудная и пр., позволяющих проследить зависимость основных параметров усилителей от параметров сигнала внешних цепей и окружающей среды.

2.2 Характеристики усилителя

2.2.1 Амплитудная характеристика

(АХ):

Рис.2-1 АХ усилителя

АХ определяет зависимость амплитуды выходного сигнала (тока,напряжения или мощности) от амплитуды входного сигнала А2=F(А1).

Рабочая область усилителя характеризуется его динамическим диапазоном. Dдб=20Lg(U1max/U1min) – динамический диапазон, выраженный в децибелах(дБ) (10раз – 20дБ, 100раз – 40дБ, 1000раз – 60дБ. и т.д.). Реальный динамический диапазон усилителя около 60 дБ.

2.2.2 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Рис.2-2 Зависимость коэффициента усиления от частоты

Коэффициент усиления усилителя К изменяется с изменением частоты усиливаемого сигнала f. Зависимость K=F(f) содержит информацию как о коэффициенте усиления, так и о частотных свойствах.

Рис.2-3 АЧХ различных усилителей

Чтобы исключить коэффициент усиления вводится параметр M=Кf /К0 – коэффициент частотных искажений. Частотные свойства определяются АЧХ – это зависимость M=F(f), где f-частота.

Рис 2-4 Типичная АЧХ усилителя

Наиболее часто встречается АЧХ вида, показанного на рис.

Здесь fн – нижняя граничная частота, fв – верхняя граничная частота.

?f=fв-fн – полоса пропускания.

Если ?f>>f0 – усилитель широкополосный. Когда ?f<<f0 – усилитель узкополосный. Для усиления звуковой частоты fн=20-60 Гц; fв=5-25 кГц.

2.2.3 Фазо-частотная характеристика

Рис.2-5 Осциллограммы входного и выходного сигналов

Выходной сигнал усилителя может быть сдвинут по фазе по отношению к входному. Зависимость этого сдвига от частоты и является фазочастотной характеристикой.

Рис.2-6 – ФЧХ усилителя

В усилителях звуковой частоты ФЧХ не используется, так как ухо не различает фазовые искажения. В видеоусилителях фазовые искажения жестко нормируются, потому что они приводят к большим искажениям изображения.

2.2.4 Переходная характеристика.

Рис.2-7 ПХ усилителя

Переходной характеристикой называется функция h(t), где h(t)=U2/U2?, t0,9-t0,1=tн – время нарастания сигнала ?i – выбросы в ПХ.

Для видеоусилителей tн=0,1-1мкс

В видеотехнике допустимы выбросы ?i 10%.

2.2.5 Типовой усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ.

{глава 1.5.2}

Рис. 2-8 Транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером

Rк– нагрузочный резистор, на нем ?Iк создает падение напряжения ?URн=?IкRн, которое является выходным сигналом. Rн=(1 – 10) кОм;

R1,R2 – делитель напряжения , который устанавливает небольшой положительный потенциал на базе по отношению к эмиттеру. (100 – 300) кОм;

С1 и С2 – разделительные конденсаторы, отделяющие постоянную составляющую сигнала на входе и выходе транзистора. (1 – 5 )мкФ;

RЭ – резистор эмиттерной термостабилизации. Резко уменьшает изменение тока транзистора при его нагревании. (500 Ом – 2 кОм);

СЭ – конденсатор, восстанавливает усиление переменной составляющей, уменьшившейся из-за включения RЭ. (500 – 5000) мкФ;

Поданное входное напряжение Uвх, вызывает изменение ?UЭБ, что в свою очередь вызывает изменение коллекторного тока. А изменение коллекторного тока вызывает изменение ?Uк. Так как Rк можно выбрать достаточно большим, то маленькие изменения ?Uбэ вызывают значительно большие изменения ?Uк, т.е. происходит усиление сигнала.

2.3 Обратная связь

2.3.1 Определение и виды ОС

Параметры и характеристики усилителей можно регулировать с помощью обратных связей. Обратной связью называется связь между входом и выходом усилителя, при которой часть энергии с выхода подается на вход усилителя. Устройство, связывающее выходную цепь усилителя с входной, называется звеном обратной связи. В - коэффициент передачи звена обратной связи, он обычно задается пассивными цепями (резисторы, конденсаторы, индуктивности). По способу подключения входной цепи звена обратной связи В к выходным зажимам усилителя К различают обратную связь по напряжению (рис 1) и по току (рис.2). По способу подключения выходной цепи звена обратной связи к входным зажимам усилителя различают последовательную (рис.З) и параллельную (рис 4) обратную связь. В зависимости от того, складывается выходное напряжение (ток) с входным напряжением (током), или вычитается, обратная связь соответственно называется положительной (ПОС)или отрицательной (ООС). Чаще всего применяется ООС, т.к. ПОС приводит к неустойчивисти.

Рис.2-9 Виды обратной связи

Обозначения на рисунках 1,2,3,4:

Uг - источник сигнала с напряжением U;

Rг - внутреннее (выходное) сопротивление источника сигнала;

К - усилитель с коэффициентом усиления К;

В - звено обратной связи с коэффициентом передачи В;

Rн - нагрузочное сопротивление.

Любая отрицательная обратная связь (ООС) приводит к уменьшению коэффициента усиления и его стабилизации.

Последовательная ООС по напряжению увеличивает Rвх и уменьшает Rвых.

Последовательная ООС по току увеличивает Rвх и увеличивает Rвых.

Параллельная ООС по напряжению уменьшает Rвх и уменьшает Rвых.

Параллельная ООС по току уменьшает Rвх и увеличивает Rвых.

Кос - коэффициент усиления усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению рассчитывается по формуле: Кос = К / (1 + К В) = Uвых / Uг Rвх.ос и Rвых.ос - входное и выходное сопротивление усилителя в этом случае находится из соотношений:

Rвх ос =Rвх (1+ ВК); (2)

Rвых ос= Rвых / (1 + BK). (3)

Для параллельной ООС по напряжению Rвх рассчитывается по формуле:

Rвх ос = R1 + 1 / Rвх + (1 + КВ) (4)

Определим,например,коэффициент усиления усилителя Кос, охваченного последовательной ООС по напряжению рис.2-10.

Рис.2-10 Последовательная ОС по напряжению

?=Uос/U2; Uос=U2 ?;

К=U2/(U1-Uос)=U2/(U1-U2?);

U2=КU1-К?U2; U2=КU1/(1+К?); Следовательно:

Кос=U2/U1=К/(1+К?) – коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью,

1+К?=А – глубина обратной связи; Кос=К/А.

При введении ООС глубиной А, коэффициент усиления уменьшается в А раз, но одновременно с этим уменьшается приблизительно в А раз нестабильность коэффициента усиления, вызванный изменением температуры и напряжения питания, разбросом параметров элементов схемы, а также шумы и фон переменного тока.

Если А=2 – 5, то глубина обратной связи считается малой.

Если А=5 – 20 средняя глубина обратной связи

Если А>20 глубокая обратная связь.

2.3.2 Обратные связи в усилителях

Рис.2-11 Эмиттерный повторитель

Усилитель рис 2-11 охвачен последовательной ОС по напряжению. Коэффициент передачи цепи ОС ?=1и Кос=К/(1+К?)=К/(1+К)~1, поэтому схема называется эмиттерный повторитель (ЭП). ЭП используется как выходной каскад, когда в качестве нагрузки включен кабель или сопротивление нагрузки мало, а также для развязки отдельных блоков устройства .В таком усилителе транзистор включен по схеме ОБ.

Пример ОС в двухкаскадном усилителе

Рис.2-12 Двухкаскадный усилитель

Усилитель рис.2-12 с общей последовательной ООС по напряжению (с помощью Rос), кроме того первый каскад охвачен местной последовательной ООС по току (с помощью Rэ1). Конденсатор Сэ1 отсутствует так как он закоротил бы цепь обратной связи.

Рис.2-13 Эквивалентная схема усилителя

Последовательная ООС по напряжению уменьшает Rвых и увеличивает Rвх, в А=1+К? раз.

Параллельная ОС по напряжению также уменьшает Rвых в А=1+К? раз, но также уменьшает и входное сопротивление.

Для того, чтобы усилитель мог использоваться в самых различных условиях, желательно чтобы Rвх было возможно больше, а Rвых меньше (рис.2-13). Поэтому наиболее часто встречается последовательная ОС по напряжению