Зміст
ВСТУП……………………………………………………………...…………….…..3
1 КЛАСИФІКАЦІЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ АНАЛОГІВ ІНДУКТИВНОСТІ…………………………………………………………………...4
1.1 Загальна характеристика аналога індуктивності…………..…………...4
1.1.1 Гіратор – аналог індуктивності………….…………………………….6
1.1.2 Котушки індуктивності для ІМС……………………………………..1
1.1.3 Помножувач індуктивності на L – негатроні…………………………
2 ТРАНЗИСТОРНІ АНАЛОГИ ІНДУКТИВНОСТІ……………………………...8
2.1 Біполярний транзистор як аналог індуктивності………………………8
2.1.1 Індуктивний транзистор……..…………..………..………………....10
2.1.2 Лавинний режим роботи транзистора…………………….………..12
2.1.3 Аналог індуктивності на базі одно перехідної структури …………13
3 ПРИЛАДИ НА ОСНОВІ ІНДУКТИВНОГО ЕФЕКТУ В ТРАНЗИСТОРАХ…1
3.1 Коливальний контур………………………..
3.2 Фільтри…..
3.3 Генератори………………
ВИСНОВКИ…………………………………………………………………..….…25
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ…………………………………………………………….26
ВСТУП
Подальший розвиток сучасної мікроелектроніки пов'язаний зі збільшенням функціональних можливостей електронних пристроїв інформаційно-вимірювальних систем. Підвищення надійності та технічні характеристики таких пристроїв досягається за рахунок виготовлення в одному технологічному циклі окремих радіоелектронних блоків, що працюють в широкому частотному та температурному діапазонах. Це, в свою чергу, викликає проблему реалізації інтегральної індуктивності, яка входить до складу таких важливих елементів кіл, як коливальні контури автогенераторів, фільтри, кіл корекції частотних елементів і т. д. Проблема вирішується шляхом використання плівкових індуктивностей і гіраторів. Величина індуктивності та добротності в тонко плівкових котушках індуктивності пропорційно залежать від геометричних розмірів, що обмежують можливість мініатюризації пристроїв, а гіраторні індуктивності мають обмежений частотний діапазон, велике споживання енергії, необхідність використання великої кількості транзисторів, що знижує їхню стабільність. На сучасному етапі розвитку елементарної бази до перспективних належать напівпровідникові елементи і пристрої з відємним диференційним опором, що пояснюється низкою їх переваг. Одноперехідна транзисторна структура є багатофункціональним електронним пристроєм, використання якого дозволяє покращити технічні параметри інформаційних пристроїв, підвищити їх ефективність і створити якісні нові елементи на її основі.
Найчастіше в мікросхемах немає необхідності використовувати властивості котушки індуктивності накопичувати магнітне поле, а потрібно тільки забезпечити фазовий зсув між струмом і напругою на кут близько 90º. Цю властивість реалізують транзисторні еквіваленти котушки індуктивності.
1 Класифікація напівпровідникових аналогів індуктивності
При побудові мікроелектронної апаратури стоїть проблема реалізації інтегральної котушки. Габарити дроселів великі. Розмістити одну котушку ще якось можна, але побудувати малогабаритний складний фільтр з великою кількістю дроселів неможливо. Неможливо встановити велику кількість дроселів в інтегральні мікросхеми. Ця проблема вирішується шляхом використання аналогів – напівпровідникових індуктивностей.
Всі види напівпровідникових індуктивностей можна розділити на фізичні, комбіновані та схемотехнічні аналоги (рис.1).
Рисунок 1 – Класифікація напівпровідникових індуктивностей
Фізичні напівпровідникові індуктивності – це напівпровідникові прилади, у яких необхідна фазова затримка створюється всередині приладу за рахунок фізичних процесів у ньому. Такою затримкою володіє багато напівпровідникових приладів. Однак, якщо ця затримка менше 90о, то добротність напівпровідникової індуктивності мала (зазвичай менше 1), що обмежує область її застосування. Для отримання великої фазової затримки і, як наслідок, великої добротності необхідно, щоб в напівпровідниковому приладі була присутня внутрішній оборотний зв'язок по струму.(5). Таким характеристикам відповідають статичні негатрони, що мають S- подібну ВАХ. На їх основі реалізуються фізичні напівпровідникові індуктивності.
В комбінованих напівпровідникових індуктивностях використовується фазова затримка, що виникає в напівпровідниковому приладі та доповняючи фазовою затримкою і низько добротному пасивному елементі.
В схемо технічних аналогах котушок індуктивності напівпровідникові прилади виконують роль підсилювальних елементів, а необхідна фазова затримка забезпечується пасивними RC- компонентами.
Частотний діапазон застосування схемо технічних аналогів індуктивності обмежений частотою порядку 1 Г Гц, що пов’язано з наявністю великої кількості паразитних обернених зв’язків.
Велику практичну зацікавленість представляють схемо технічні аналоги тиристора і одно перехідного транзистора (особливо, якщо вони не ставиться задача реалізації їх у виді напівпровідникової мікросхеми, а також при реалізації напівпровідникової індуктивності, які мають працювати при великих струмах. На відмінну від тиристорів, вони володіють більш високою температурною стабільністю. Недоліком фізичних напівпровідникових індуктивностей, до яких відносяться всі негатрони S- типу (рис.1), являється складність підстроювання їх параметрів після виготовлення і жорсткі технологічні обмеження.
В зв’язку з цим, перспективним являється реалізація комбінованих напівпровідникових індуктивностей, тобто на основі польових та біполярних транзисторів. Основна частина фазової затримки виникає в багато електронній напівпровідниковій структурі, а додаткова затримка створюється низько добротним компонентом, приєднаний до напівпровідникової структури.
1.1 Загальна характеристика аналога індуктивності
Залежність між струмом та напругою на затискачах ідеальної індуктивності визначається простим лінійним диференціальним рівнянням першого порядку:
(1)
Будь-який
двополюсник, що задовольняє рівняння
(1), можна розглядати як замінник
індуктивності. Відповідно до рівняння
(1) індуктивність є накопичувачем енергії
магнітного поля і за величиною дорівнює
.
З усіх елементів активної RC- схеми тільки
конденсатор забезпечує диференціальну
залежність між напругою та струмом, а
також накопичує енергію. Отже, схема,
що реалізує індуктивність, повинна
містити принаймні один конденсатор.
З іншого боку, залежність між напругою та струмом на будь-якій парі затискачів RC- кола, що мітить n конденсаторів, визначається диференціальним рівнянням n-го порядку. Зменшити його порядок можливо тільки шляхом введення в схему деякої компенсації, що відповідає скорочуючим множникам у функції повного опору. Звичайно така процедура небажана, оскільки ускладнює настроювання і збільшує чутливість схеми до похибок елементів. Таким чином, можна вважати, що оптимальна схема, що реалізує індуктивність, повинна містити саме один конденсатор.
Виходячи з даних міркувань, схему можна подати у вигляді моделі, що показана на рис. 2. Вона являє собою частково незалежний чотириполюсник, що складається тільки з резисторів і активних приладів навантажених на затискачах конденсатором і забезпечує на інших затискачах задану характеристику індуктивності. Цей чотириполюсник є основою методу побудови без індуктивних фільтрів.
Рисунок 2 – Загальна схема реалізації індуктивності
1.1.1 Гіратор – як аналог індуктивності
Гіратор, що представляють собою по суті активні схеми електронних підсилювачів з вираженими частотно-залежними характеристиками, використовуються в діапазоні порівняно низьких частот і застосовуються, в основному, в частотно-виборчих схемах різних фільтрів. Котушки, виконані в формі плоскої спіралі або відрізків передавальних ліній, так і в іншому мініатюрному виконанні, успішно застосовуються у НВЧ - і СВЧ - діапазоні, але мають загальний недолік, що полягає в тому, що зміна значення їх індуктивності можливо переважно механічним способом.
Інтегральний аналог звичайно не накопичує енергію (що важливо для силових пристроїв), як це робить справжня котушка індуктивності. Зміна струму емулюється за рахунок споживання енергії з ланцюгів живлення .
На рис. 3 показана еквівалентна схема ідеального гіратора
Рисунок 3 – Схема гіратора, інтегрального аналога дроселя
Схема (А) зазвичай наводиться в літературі, як приклад гіратора. Вона дійсно імітує дросель, з'єднаний із загальним проводом, але не тільки його індуктивність, але і внутрішній омічний опір. Його омічний опір дорівнює опору резистора R. Для типових операційних підсилювачів цей резистор не може бути менше кількох к Ом. Отже,виходить досить поганий дросель, з дуже великим внутрішнім опором.
У наведеній схемі опір резистора R1 - визначається здатністю навантаження операційного підсилювача , резистор R2 - 10 к Ом.
Принцип роботи схеми простий. Прикладена напруга поступово заряджає конденсатор C1 через резистор R3. Напруга на виході операційного підсилювача дорівнює сумі напруги на вході і напруги на конденсаторі C1. До резистору R1 прикладена напруга виходу підсилювача мінус напруга на вході схеми. Тобто напруга на R1 дорівнює напрузі на конденсаторі C1. Струм через резистор R1 за законом Ома дорівнює напрузі, поділеній на опір. Такому чином струм через резистор поступово наростає з часом. Резистор R1 вибирається багато менше, ніж R, так що основний вхідний струм - це струм через цей резистор.
Наведену схему можна вдосконалити. Схема (B) може демонструвати омічний опір в широкому діапазоні. Воно дорівнює половині різниці опорів резистора R1 і резистора R2. Так що його можна зробити нульовим або навіть від'ємним. Така варіативність внутрішнього опору дозволяє робити на такому гіраторі, фільтри з дуже високою добротністю, а також робити самовикликаючі коливальні контури - генератори синусоїдальних коливань .
У схемі (B) сума опорів резистора R1 і резистора R6 обмежуються здатністю навантаження інтегрального операційного підсилювача, резистор R2 - 10 к Ом, резистори R4, R5 - 100 к Ом.
Резистори R4 , R5 утворюють дільник напруги .
Часто виникає необхідність отримати підвішену котушку індуктивності, тобто дросель, у якого ні один з виводів не з'єднаний із загальним проводом. Література радить нам використовувати чотири операційних підсилювача. Але можна обійтися і двома ( Схема C). Це дві схеми B, включені назустріч один одному. При цьому важливо забезпечити ідентичність номіналів використовуваних конденсаторів і резисторів. Звичайний допуск в 10% тут неприйнятний.
У всіх схемах використовується операційний підсилювач з високим вхідним опором.
Основне застосування гіраторів полягає у створенні ділянок кола, що імітують індуктивність. Оскільки індуктори далеко не завжди можуть застосовуватися в електричних колах (наприклад в мікросхемах), використання гіраторів дозволить обходитися без котушок. Для цього використовується ланцюг, що складається з конденсатора, операційного підсилювача або транзисторів і резисторів.