§4. Транзисторы
Транзисторы – это полупроводниковые приборы с двумя или более p-n- переходами, позволяющими усиливать электрические сигналы и имеющие три вывода и более.
Их подразделяют на две большие группы: биполярные и униполярные.
Биполярные транзисторы имеют трехслойную структуру с чередующимися типами электропроводности.
Различают прямые (p-n-p) и обратные (n-p-n) транзисторы.
От каждого слоя имеется вывод:
Э - Эмиттер
Б – База или (Основание)
К – Коллектор
Переход между базой и эмиттером называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.
В зависимости от общего электрода, для входной и выходной цепей транзисторы можно включать тремя разными способами:
1. По схеме с общим эмиттером ОЭ (получают наибольшее усиление),
2. По схеме с общей базой ОБ (наибольшая стабильность в работе),
3. По схеме с общим коллектором ОК (обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением).
Униполярные, или полевые, транзисторы имеют большое входное сопротивление (свыше 10 МОм). Их подразделяют на две большие группы:
Транзисторы с управляющим p – n- переходом с каналом n – или p – типа.
У МДП (металл – диэлектрик – полупроводник) – транзисторов управляющий электрод изолирован слоем диэлектрика.
В зависимости от конструкции различают транзисторы с встроенным p – или n – каналом.
И с индуцированным p – или n – каналом.
Электроды таких транзисторов называют истоком (от него начинают движение основные носители заряда), стоком (к нему движутся основные носители) и затвором (к нему прикладывают управляющее напряжение).
Транзисторы используются для генерации, усиления и преобразования электрических сигналов. В импульсных схемах они работают в режиме «ключа», когда транзистор может находиться только в двух состояниях: включенным (открытым), либо выключенным (закрытым). Переход из одного состояния в другое происходит очень быстро, что отвечает основным требованиям быстродействия.
В зависимости от используемого полупроводника транзисторы бывают кремниевые или германиевые; от механизма движения носителей заряда – диффузионные, или дрейфовые.
Основными параметрами биполярных транзисторов являются:
- статистический коэффициент усиления по току α в схеме с общей базой;
- статический коэффициент усиления по току β в схемах с общим эмиттером. Параметры α и β связанны зависимостями вида β = α/(1+α) или α = β/(1+β);
- обратный ток коллектора Iко;
- граничная fгр и предельная fh21 частоты коэффициента передачи тока.
Основными параметрами полевых транзисторов являются:
- напряжение отсечки Uо – приложенное к затвору напряжение, при котором перекрывается сечение канала;
- максимальный ток стока Іс.макс ;
- напряжения – между затвором и стоком Uзс, между стоком и истоком Uси и между затвором и истоком Uзи;
- входная Свх, проходная Спр и выходная Свых ёмкости.
§5. Операционный усилитель. (оу)
Операционный усилитель – один из самых главных «кирпичиков» современной аналоговой электроники. Он спроектирован так, чтобы удовлетворять самым взыскательным требованиям разработчиков электронной техники. Вот его обозначение и структурная схема:
У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный «+», и инвертирующий, обозначенный «-». Если на не инвертирующий вход подать положительный потенциал, то потенциал на выходе возрастет. Но если положительный потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе уменьшится. А если одинаковый потенциал подать сразу на оба входа? Потенциал выхода не изменится. Как и полагается усилителю с дифференциальным входом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами и хорошо подавляет одинаковые сигналы на входах или, как говорят специалисты, синфазную составляющую входного сигнала.
При интегральной технологии нет нужды экономить на транзисторах. Если уж процесс отработан, то практически не имеет значения, сколько транзисторов расположено на пластинки полупроводника. Интегральная микросхема изготавливается с помощью станков-автоматов в едином технологическом процессе. Размеры самих транзисторов составляют микрометры, а размер кристалла – миллиметры. Поэтому и десять тысяч транзисторов для одной микросхемы не предел. Это принесло большую пользу инженерам – проектировщикам микросхем и позволило воплотить в жизнь множество интересных и полезных схематических решений. Например при нагреве параметры одного транзистора изменяются, и его коллекторный ток возрастает. Значит, при нагреве надо уменьшить напряжение смещения транзистора. Это делает другой транзистор, включенный в цепь смещения. Более того, включим пару транзисторов по дифференциальной схеме. Тогда несмотря на то, что ток обоих транзисторов возрастет, разность токов, которая и определяет полезный входной сигнал, практически не меняется.
Благодаря этому операционный усилитель оказывается термостабильным. Температурный «дрейф» его не превосходит нескольких десятков микровольт на градус, тогда как у усилителя на дискретных элементах он в десятки раз больше. У операционных усилителей еще много подобных достоинств главное из которых, их универсальность использования.
Операционный усилитель также применяют – в качестве компаратора, т.е. устройства для сравнения между собой двух различных величин, например напряжений.
Пусть одно из этих напряжений подается на один вход усилителя, второе - на другой.
В этом устройстве нет отрицательной обратной связи и высокий собственный коэффициент усиления используется полностью. Если напряжение U1 хотя бы немного (на несколько микровольт) больше напряжения U2 , то потенциал на выходе устройства принимает максимально возможное значение, несколько меньше напряжения питания. В этом случае говорят, что усилитель «вошел в насыщение». Если же напряжение U1 меньше U2, то потенциал на выходе принимает такое же, но отрицательное значение. Следовательно компаратор имеет «релейную» характеристику и выдает на выходе только два дискретных значения. Их можно назвать единица (1) и нуль (0) как это принято в цифровой технике. Да и сам компаратор чаще всего используют в устройствах для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, сокращенно АЦП, что означает аналого -цифровой преобразователь.
АЦП в виде компаратора на основе ОУ
В качестве датчика В1 использован прибор магнитоэлектрической системы (микроамперметр). Действие которого основано на изменении величины тока проходящего через катушку, расположенную в магнитном поле прибора, при изменении положения стрелки.
§6.МОП-технология.
МОП – металл-оксид-полупроводник. Такие транзисторы состоят из четырех элементов: исток, сток, затвор и подложка (рис.1), выпускаются р-канальные и n-канальные.
исток
затвор
подложка
сток
р-канальный
исток
затвор
подложка
сток
n-канальный
Рис.1 МОП - Транзисторы
Работа МОП − транзисторов очень интересна. При подаче положительного напряжения +5В на затворы, один транзистор открывается − (1), другой закрывается – (0). При смене напряжения 0В, наоборот, один транзистор (открытый) закрывается, другой (запертый) открывается. Соответственно – (0) и (1).
Рассмотрим работу вентиля «НЕ», выполненного по КМОП − технологии (рис. 2а).
+5В
0В
Вход
Т1
Т2
Выход
+5В
0В
Т1
Т2
+5В
0В
+5В
0В
0В
+5В
а)
б)
в)
Т1
Т2
Рис. 2. Вентиль «НЕ» (КМОП)
Таблица 1
Вход |
Нижний транзистор |
Верхний транзистор |
Выход |
|||||
Затвор |
Подложка |
Состояние |
Затвор |
Подложка |
Состояние |
|||
+5В |
+5В |
0В |
Закрыто |
+5В |
+5В |
Разомкнут |
0В |
|
0В |
0В |
0В |
Разомкнуто |
0В |
+5В |
Замкнут |
5В |
|
При подаче положительного напряжения (рис. 2б) на затворы транзисторов, транзистор Т1 размыкается, а транзистор Т2 замыкается (табл. 1). При подаче 0В на затворы, транзистор Т1 замыкается, а транзистор Т2 размыкается (рис. 2в).