Е. А. Москатов
ЕЛЕКТРОННА ТЕХНІКА
м. Таганрог , 2004 р.
Передмова
Перед Вами книга «Електронна техніка» . Для кого вона ? Для студентів і викладачів технікумів , технічних коледжів і ВНЗ , для людей , які хочуть дізнатися процеси, що відбуваються в радіоапаратурі і в електричних деталях , складових її . Чим книга від - Ліча від багатьох інших , написаних з цієї тематики ? У більшості книг містяться розгорнуті описи процесів, що відбуваються в елементах і вузлах апаратури , зазвичай з - лежання настільки складно і незрозуміло , що в даній літературі здатний розібратися хіба що її автор або великий фахівець в електроніці. В інших книгах , озаглавлених « Елек - троника » , «Електронна техніка» або подібним чином , найчастіше міститься матеріал , з-вершенно не відповідає програмам учебнообразовательних закладів та планам мі- ністерства освіти . Частенько пишуть не те , що є базою курсу , а те, що знають. Книга , яка зараз перед Вами , позбавлена подібних недоліків. Її автор спробував в най-більш стислій формі , доступною студентам , розповісти про найбільш важливих процесах в елек - тричних елементах і вузлах апаратури , які є базою для успішного проходу-ня багатьох інших спеціальних дисциплін . Даний підручник є , по суті , основою для проведення лекцій , тому , швидше за все , зацікавить викладачів соответствующе -го предмета .
Я сподіваюся , що книга « Електронна техніка » виявиться для Вас потрібною і корисною.
Євген Анатолійович Моськатов
Зима , 2004р.
Електронно- діркові і металлополупроводніковие переходи Рух електронів в електричних і магнітних полях
1 ) Рух електронів в ускоряющем електричному полі
2 ) Рух електрона в гальмуючому електричному полі
3 ) Рух електрона в поперечному електричному полі
4 ) Рух електрона в магнітних полях
5 ) Зонна енергетична діаграма
Const
m = 9,1 ∙ 10-31 кг
1 ) Рух електронів в ускоряющем електричному полі. Розглянемо однорідне електричне поле з напруженістю Е = U / d .
На одиничний позитивний заряд , поміщений в електричне поле , діє сила , рав -ва за величиною напруженості цього поля.
F = E - для одиничного позитивного заряду. F = - e ∙ E - для електрона .
Знак «-» показує , що сила діє на електрон , спрямована проти лінії напружений -ності електричного поля. Під дією цієї сили електрон буде рухатися равноуско - ренно і придбає максимальну швидкість в кінці шляху . Поле , лінії напруженості кото- рого спрямовані назустріч вектору початкової швидкості електрона 0 , називається прискорюю -щим електричним полем. Визначимо максимальну швидкість електрона . Робота по переме - щенію електрона з однієї точки поля в іншу дорівнює добутку заряду електрона на раз -ність потенціалів між цими точками .
A = e ∙ U
Дана робота затрачається на повідомлення електрону кінетичної енергії.
де - кінцева швидкість електрона . Будемо вважати , що = 0
A = Wк ,
З останньої формули видно , що швидкість електрона в електричному полі визначаєтьсятільки величиною напруги між двома точками поля , і тому швидкість електрона іно - гда характеризують цим напругою .
2 ) Рух електрона в гальмуючому електричному полі.
Під дією сили F електрон буде рухатися равнозамедленно , в якійсь точці поля він зупиниться і почне рухатися у зворотному напрямку. Електричне поле , лінії напруженості якого збігаються за напрямком з вектором початкової швидкості електро - на , називається гальмуючим електричним полем.
3 ) Рух електрона в поперечному електричному полі.
Поперечним електричним полем називається поле , лінії напруженості якого перпендикулярна вектору початкової швидкості електрона .
d
За рахунок дії сили F виникає вертикальна складова швидкості електрона , яка буде весь час збільшуватися. Початкова швидкість 0 залишається постійною , в результаті чого траєкторія руху електрона буде являти собою параболу . При вильоті електрона за межі дії поля він буде рухатися по прямій .
4 ) Рух електрона в магнітних полях.
F = B ∙ e ∙ 0 ∙ sinα - сила Лоренца . При α = 900 отримаємо sinα = 1 .
При α = 900 траєкторія буде являти собою дугу кола .
Рис
. 5
Рис . 4
Коли α ≠ 900 , вектор швидкості електрона можна розкласти на дві складові - попереч -ную і подовжню щодо направлення магнітних силових ліній (рис. 5 ) . Під дією поперечної складової електрон буде рухатися по колу , а під дією поздовжньої складової - рухатися поступально . В результаті траєкторія буде пред -ставлять собою спіраль.
5 ) Зонна енергетична діаграма .
У провідників велика кількість вільних електронів , у діелектриків валентні електрони утримуються ковалентними зв'язками , в напівпровідників структура як у діелектричної -ков , але ковалентні зв'язку значно слабкіше. Досить порівняно невеликого кількістю- ства енергії, одержуваної з зовнішнього середовища ( температура , освітленість , сильне електричн -ське поле ) щоб електрони напівпровідника розірвали ковалентні зв'язку та стали вільні -ми .
Діапазон енергій , в якому лежить енергія електрона , утримуваного ковалентним зв'язком , називається зоною валентності , або валентної зоною.
Діапазон енергій , в якому лежить енергія електрона , що розірвав ковалентний зв'язок і став вільним , називається зоною провідності .
Графічне зображення цих енергетичних зон називається зонної енергетичної діаграмою
Для того , щоб електрон зміг розірвати ковалентний зв'язок і стати вільним , він повинен отримати енергію , велику ширини забороненої зони.
Електропровыднысть напівпровідників
1 ) Власна провідність напівпровідників
2 ) Домішкова провідність напівпровідників
3 ) Дрейфовий і дифузійний струми в напівпровідниках
1 ) Власна провідність напівпровідників . Власним напівпровідником , або ж напівпровідником i - типу називається ідеально хімічно чистий напівпровідник з однорідною кристалічною решіткою .
Кристалічна структура напівпровідника на площині може бути визначена слідую -щим чином .
Якщо електрон отримав енергію , велику ширини забороненої зони , він розриває кова - лентний зв'язок і стає вільним. На його місці утворюється вакансія , яка має по-
ложітельний заряд , рівний по величині заряду електрона і називається діркою. У полупро - воднику i - типу концентрація електронів ni дорівнює концентрації дірок pi . Тобто ni = pi .
Процес утворення пари зарядів електрон і дірка називається генерацією заряду. Вільний електрон може займати місце дірки , відновлюючи ковалентний зв'язок і при цьому випромінюючи надлишок енергії. Такий процес називається рекомбінацією зарядів . У процесі рекомбінації та генерації зарядів дірка як би рухається у зворотний бік від напрямки руху електронів , тому дірку прийнято вважати рухомим позитивним носієм заряду. Дірки і вільні електрони , що утворюються в результаті генерації носіїв заряду , називаються власними носіями заряду , а провідність напівпровідника за рахунок власних носіїв заряду називається власною провідністю провідника.
2 ) Домішкова провідність провідників.
Так як у напівпровідників i - типу провідність істотно залежить від зовнішніх умов , в напівпровідникових приладах застосовуються домішкові напівпровідники.
Рис . 10
Якщо в напівпровідник ввести пятивалентного домішка , то 4 валентних електрони восстанав - люють ковалентні зв'язку з атомами напівпровідника , а п'ятий електрон залишається вільним. За рахунок цього концентрація вільних електронів буде перевищувати концентрацію дірок .
Домішка , за рахунок якої ni > pi , називається донорной домішкою .
Напівпровідник , у якого ni > pi , називається напівпровідником з електронним типом провідності , або напівпровідником n - типу.
У напівпровіднику n - типу електрони називаються основними носіями заряду , а дир- ки - неосновними носіями заряду.
Рис . 11
При введенні тривалентної домішки три її валентних електрона відновлюють ковалентен -ную зв'язок з атомами напівпровідника , а четверта ковалентний зв'язок виявляється не віднов - новленной , тобто має місце дірка. У результаті цього концентрація дірок буде більше кон- центрації електронів.
Домішка , при якій pi > ni , називається акцепторной домішкою .
Напівпровідник , у якого pi > ni , називається напівпровідником з дірковим типом провідності , або напівпровідником p - типу.
У напівпровіднику p - типу дірки називаються основними носіями заряду , а електро -ни - неосновними носіями заряду.
Реальна кількість домішок в напівпровіднику становить приблизно 1015 1/см3 .
3 ) Дрейфовий і дифузійний струми в напівпровідниках .
Дрейфовий струм в напівпровіднику - це струм, що виникає за рахунок прикладеного електричного поля . При цьому електрони рухаються назустріч лініях напруженості поля , а дірки - у напрямку ліній напруженості поля. Дифузний струм - це струм, що виникає через нерівномірне концентрації носіїв заряду.
n2 > n1 . n2 - n1 = Δn
Електронно- дірковий ( p-n ) перехід
1 ) Освіта електронно- діркового переходу
2 ) Пряме і зворотне включення pn переходу
3 ) Властивості p - n переходу
1 ) Освіта електронно- діркового переходу . Зважаючи нерівномірної концентрації на межі розділу p і n напівпровідника виникає дифузний струм , за рахунок ко- торого електрони з n - області переходять в p - область , а на їх місці залишаються некомпенсі - рова заряди позитивних іонів донорної домішки. Електрони , що приходять в p - область , рекомбинируют з дірками , і виникають некомпенсовані заряди отрицатель -них іонів акцепторної домішки. Ширина pn переходу - десяті частки мікрона. На межі -це розділу виникає внутрішнє електричне поле pn переходу , яке буде гальмуючи -щим для основних носіїв заряду і буде їх відкидати від кордону розділу.
Р n
Рис . 13
Для неосновних носіїв заряду поле буде пришвидшує і буде переносити їх в область , де вони будуть основними. Максимум напруженості електричного поля - на кордоні поділу- ла
+ - + -
- +
- - +
- + +
p - + n
E
x
Рис. 14
Розподіл потенціалу по ширині напівпровідника називається потенційної диаграм - мій . Різниця потенціалів на pn переході називається контактною різницею потенціалів або потенційним бар'єром . Для того , щоб основний носій заряду зміг подолати pn перехід , його енергія повинна бути достатньою для подолання потенційного бар'єру .
2 ) Пряме і зворотне включення pn переходу .
Докладемо зовнішня напруга плюсом до p - області. Зовнішнє електричне поле направле -но назустріч внутрішньому полю pn переходу , що призводить до зменшення потенційного бар'єру . Основні носії зарядів легко зможуть подолати потенційний бар'єр, і поет-му через pn перехід буде протікати порівняно великий струм , викликаний основними носи - телямі заряду.
Таке включення pn переходу називається прямим , і струм через pn перехід , викликаний основними носіями заряду , також називається прямим струмом. Вважається , що при прямому включенні pn перехід відкритий . Якщо підключити зовнішню напругу мінусом на p - область , а плюсом на n - область , то виникає зовнішнє електричне поле , лінії напруженості кото- рого збігаються з внутрішнім полем pn переходу . В результаті це призведе до збільшення по- потенційного бар'єру і ширини pn переходу . Основні носії заряду не зможуть преодо - леть pn перехід , і вважається , що pn перехід закритий . Обидва поля - і внутрішнє і зовнішнє - яв- ляють прискорюючими для неосновних носіїв заряду , тому неосновні носії заряду будуть проходити через pn перехід , утворюючи дуже маленький струм , який називається зворотним струмом. Таке включення pn переходу також називається зворотним.
3 ) Властивості p - n переходу . До основних властивостей pn переходу відносяться:
властивість односторонньої провідності ;
температурні властивості pn переходу; частотні властивості pn переходу; пробій pn переходу .
Властивість односторонньої провідності pn переходу неважко розглянути на вольтамперної характеристиці. Вольтамперної характеристикою ( ВАХ ) називається графічно виражена залежність величини протікає через pn перехід струму від величини прикладеної напруги. I = f ( U).
Будемо вважати пряму напругу позитивним , зворотне - негативним. Струм через pn перехід може бути визначений таким чином :
де I0 - струм , викликаний проходженням власних носіїв заряду;
e - основа натурального логарифма ; e ' - заряд електрона ;
Т - температура ;
U - напруга, прикладена до pn переходу ; k - постійна Больцмана .
При прямому включенні :
При збільшенні прямої напруги прямий струм змінюється за експоненціальним законом .
При зворотному включенні :
Так як величина зворотного струму у багато разів менше , ніж прямого , то зворотним струмом мож-но знехтувати і вважати , що pn перехід проводить струм тільки в одну сторону.
Температурне властивість pn переходу показує , як змінюється робота pn переходу при з - трансформаційних змін температури. На pn перехід в значній мірі впливає нагрів , в дуже малому ступені - охолодження. При збільшенні температури збільшується термогенерации носіїв заряду , що призводить до збільшення як прямого , так і зворотного струму.
Частотні властивості pn переходу показують , як працює pn перехід при подачі на нього змінної напруги високої частоти. Частотні властивості pn переходу визначаються двома видами ємності переходу .
Рис . 18
Перший вид ємності - це ємність , обумовлена нерухомими зарядами іонів донорної і акцепторної домішки. Вона називається зарядної , або бар'єрної ємністю.
Другий тип ємності - це дифузійна ємність , обумовлена дифузією рухливих носіїв заряду через pn перехід при прямому включенні.
Q - сумарний заряд , що протікає через pn перехід.
Ri - внутрішній опір pn переходу .
Ri дуже мало при прямому включенні [ Ri = ( n ∙ 1 ÷ n ∙ 10 ) Ом ] і буде велике при зворотному включенні [ Riобр = ( n ∙ 100 кОм ÷ n ∙ 1 МОм )] .
Рис . 20
Якщо на pn перехід подавати змінну напругу , то ємнісний опір pn пере- ходу буде зменшуватися зі збільшенням частоти , і при деяких великих частотах ем - кісткове опір може зрівнятися з внутрішнім опором pn переходу при пря -мом включенні. У цьому випадку при зворотному включенні через цю ємність потече досить великий зворотний струм, і pn перехід втратить властивість односторонньої провідності .
Висновок: чим менше величина ємності pn переходу , тим на більш високих частотах він може працювати.
На частотні властивості основний вплив має бар'єрна ємність , т. к. дифузійна ємність має місце при прямому включенні , коли внутрішній опір pn переходу мало.
Пробій p - n переходу . Iобр = - Io
При збільшенні зворотної напруги енергія електричного поля стає достатньою для генерації носіїв заряду. Це призводить до сильного збільшення зворотного струму .
Явище сильного збільшення зворотного струму при певному зворотному напрузі нази -ється електричним пробоєм pn переходу .
Електричний пробій - це оборотний пробій , тобто при зменшенні зворотної напруги pn перехід відновлює властивість односторонньої провідності . Якщо зворотне напруги- ня не зменшиться , то напівпровідник сильно нагріється за рахунок теплового дії струму і pn перехід згоряє. Таке явище називається тепловим пробоєм pn переходу . Тепловий пробій незворотній.
Перехід Шоттки
1 ) Освіта переходу Шотткі
2 ) Пряме і зворотне включення діодів Шоттки
1 ) Освіта переходу Шотткі . Перехід Шоттки виникає на межі розділу ме- талу та напівпровідника n - типу , причому метал повинен мати роботу виходу електрона більшу, ніж напівпровідник.
А м > А n.пр
Рис . 22
При контакті двох матеріалів з різною роботою виходу електронів електрон проходить з ма - теріалу з меншою роботою виходу в матеріал з більшою роботою виходу , і ні за яких умов - навпаки. Електрони з прикордонного шару напівпровідника переходять в метал , а на їх місці залишаються некомпенсовані позитивні заряди іонів донорної домішки. У металі велика кількість вільних електронів , і, отже , на межі метал - напівпровідник виникає електричне поле і потенційний бар'єр. Виник поле буде гальмуючим для електронів напівпровідника і буде відкидати їх від межі розділу . Гра -ница розділу металу і напівпровідника з шаром позитивних зарядів іонів донорної домішки називається переходом Шоттки (відкритий в 1934 році ) .
2 ) Пряме і зворотне включення діодів Шоттки .
Якщо прикласти зовнішню напругу плюсом на метал , а мінусом на напівпровідник , виникає зовнішнє електричне поле, спрямоване назустріч полю переходу Шотткі . Це зовнішнє поле компенсує поле переходу Шотткі і буде пришвидшує для електронів напівпровідника . Електрони будуть переходити з напівпровідника в метал , утворюючи порівняно великий прямий струм . Таке включення називається прямим.
При подачі мінуса на метал , а плюса на напівпровідник виникає зовнішнє електричн -ське поле , сонаправленнимі з полем переходу Шотткі . Обидва цих поля будуть гальмують для електронів напівпровідника , і будуть відкидати їх від межі розділу . Обидва цих поля будуть прискорюючими для електронів металу , але вони через кордон розділу не прой - дуть , так як у металу більше робота виходу електрона . Таке включення переходу Шотт -ки називається зворотним.
Зворотний струм через перехід Шотткі буде повністю відсутнім , так як в метал не су-суспільством неосновних носіїв зарядів .
Переваги переходу Шотткі :
- Відсутність зворотного струму ;
- Перехід Шоттки може працювати на НВЧ;
- Високу швидкодію при перемиканні з прямого стану в протилежне і навпаки.
Недолік - вартість. Як метал зазвичай застосовують золото.
Деякі ефекти напівпровідника
1 ) Тунельний ефект
2 ) Ефект Гана
3 ) Ефект Холла
1 ) Тунельний ефект. Тунельний ефект (відкритий в 1958 році в Японії ) проявляється на pn переході в вироджених напівпровідниках .
Вироджений напівпровідник - це напівпровідник з дуже високою концентрацією донор -ної або домішки . ( Концентрація - 1024 атомів домішки на 1 куб. См. полупровод - ника ) .
У вироджених напівпровідниках дуже тонкий pn перехід: його ширина складає соті частки мікрона , а напруженість внутрішнього поля pn переходу становить Ep - n ≈ 108 B / м , що забезпечує дуже високий потенційний бар'єр. Основні носії заряду не можуть подолати цей потенційний бар'єр , але за рахунок малої його ширини як би механічно пробивають в ньому тунелі , через які проходять інші носії зарядів .
Отже , властивість односторонньої провідності на pn переході при тунельному ефектами відсутня , а струм через pn перехід буде мати три складові:
I = Iт.пр. - Iт.обр . + Іпр . ,
де Iт.пр. - Прямий тунельний струм , за рахунок проходження зарядів через тунелі при прямому включенні ;
Iт.обр . - Зворотний тунельний струм , той же самий , що і прямий , але при зворотному включенні ; Iпр . - Прямий струм провідності . Викликаний носіями заряду , долати потенциаль -ний бар'єр при відносно високому прямому напрузі.
Вольтамперная характеристика pn переходу при тунельному ефекті буде мати вигляд , изоб- ражен на малюнку 23 .
Рис . 23
На ділянці АВ прямий тунельний струм зменшується за рахунок зниження потенційного бар'є -ра і в точці В він стає рівним нулю , а струм провідності незначно зростає . За рахунок цього загальний струм на ділянці АВ зменшується. Особливістю тунельного ефекту являє-ся те, що на ділянці АВ характеристики має місце негативне динамічне опір .
Ri U Uв Uа
I Iв Iа
Тунельний ефект застосовується в тунельних діодах , які використовуються в схемах гені - раторов гармонійних коливань і як малопотужні безконтактні перемикаючі устрій -ства .
2 ) Ефект Гана
Ефект Гана проявляється в напівпровідниках n - типу провідності в сильних електричних полях.
I
I
Eкр Eпор E
Рис
. 24
Ділянка ОА - лінійна ділянка , на якому дотримується закон Ома. Ділянка АВ - при порів-Передачі великих напряженностях електричного поля зменшується рухливість електро -нів ( показує , як легко електрони проходять крізь кристалічну решітку провідника) за рахунок збільшення амплітуд коливання атомів у вузлах кристалічної решітки. І за рахунок цього зростання струму сповільнюється. Ділянка ВС - сильне зменшення рухливості електронів , що призводить до зменшення струму. Ділянка CD - при дуже великих напряженностях значно збільшується генерація носіїв зарядів і , хоча рухливість електронів зменшується , струм зростає за рахунок збільшення кількості зарядів .
Сутність ефекту Гана полягає в тому , що якщо в напівпровіднику створити напруженість електричного поля , велику Екр , але меншу Епор , тобто на ділянці ВС характеристики , то в напівпровіднику виникнуть електричні коливання надвисокої частоти ( СВЧ).
Ефект Гана застосовується в діодах Гана , які використовуються як малопотужні генератори НВЧ.
3 ) Ефект Холла
Рис . 25
На рухомі електрони в напівпровіднику буде діяти сила Лоренца F, під действи-ем якій електрони будуть відхилятися до дальнього краю пластинки (дивися малюнок 25), отже, там буде згущення електронів, а біля переднього краю - недолік їх. Тому між цими краями виникне ЕРС, яка називається ЕРС Холла.
Ефект Холла застосовується в магнітометричних датчиках.
Напівпровідникові прилади Пристрій , класифікація та основні параметри напівпровідникових діодів
1 ) Класифікація та умовні позначення напівпровідникових діодів
2 ) Конструкція напівпровідникових діодів
3 ) Вольтамперная характеристика та основні параметри полупроводни -кових діодів
1 ) Класифікація та умовні позначення напівпровідникових діодів. Полупроводни - ковим діодом називається пристрій, що складається з кристала напівпровідника , утримуючи- щее зазвичай один pn перехід і має два висновки.
Класифікація діодів проводиться за такими ознаками:
1 ] По конструкції : площинні діоди; точкові діоди; мікросплавние діоди.
2 ] За потужністю :
малопотужні ; середньої потужності ; потужні .
3 ] За частотою :
низькочастотні ; високочастотні ; НВЧ.
4 ] За функціональним призначенням: випрямні діоди; імпульсні діоди; стабілітрони ;
варикапи ; світлодіоди ; тунельні діоди і так далі.
Умовне позначення діодів підрозділяється на два види:
- Маркування діодів ;
- Умовне графічне позначення ( УДО ) - позначення на принципових електричних схемах.
За старим ГОСТу всі діоди позначалися літерою Д і цифрою , яка вказувала на елек - тричні параметри , що знаходяться в довіднику.
Новий ГОСТ на маркування діодів складається з 4 позначень :
К С -156 А Г
Д -507 Б
I II III IV
Рис . 26
I - показує матеріал напівпровідника :
Г ( 1 ) - германій ; К ( 2 ) - кремній ; А (3) - арсенід галію .
II - тип напівпровідникового діода :
Д - випрямні , ВЧ і імпульсні діоди; А - діоди СВЧ ;
C - стабілітрони ; В - варикапи ;
І - тунельні діоди , Ф - фотодіоди ;
Л - світлодіоди ;
Ц - випрямляючі стовпи і блоки.
III - три цифри - група діодів за своїми електричними параметрами:
101 399випрямітельние
Д 401 499ВЧдіоди
501 599імпульсние
IV - модифікація діодів в даній ( третій ) групі .
УДО :
а) б) в) г) д) е) ж)
а ) Так позначають випрямні , високочастотні , СВЧ , імпульсні і діоди Гана , б) стабілітрони ; в) варикапи ; г) тунельні діоди; д) діоди Шоттки ; е) світлодіоди ; ж) фотодіоди ;
Рис . 27
2 ) Конструкція напівпровідникових діодів. Основою площинних і точкових діодів яв- ляется кристал напівпровідника n - типу провідності , який називається базою транзит- стору . База припаивается до металевої платівці , яка називається крісталлодержа - телем . Для площинного діода на базу накладається матеріал домішки і у вакуумній печі при високій температурі (близько 500 ° С) відбувається дифузія акцеп -битим домішки в базу діода , в результаті чого утворюється область p - типу провідності і pn перехід великій площині (звідси назва) .
Висновок від p - області називається анодом , а висновок від n - області - катодом ( дивіться малюнок 28 ) .
А
акцеп торная прим ес ь
база
P
крис таллод ерж атель
Рис . 28
Велика площину pn переходу площинних діодів дозволяє їм працювати при великих прямих струмах , але за рахунок великої бар'єрної ємності вони будуть низькочастотними .
Точкові діоди.
А I база
кристал- лодер-
жатель
n
К
Р ис. 29
До бази точкового діода підводять вольфрамовий дріт , леговану атомами акцептор -ної домішки , і через неї пропускають імпульси струму силою до 1А . У точці розігріву атоми ак - цепторной домішки переходять в базу , утворюючи p - область ( дивіться малюнок 30).
Воль фрамовая игла
Область p-типа
P Область n-типа
n
Р
ис . 30
Виходить pn перехід дуже малої площі. За рахунок цього точкові діоди будуть високоча - стотнимі , але можуть працювати лише на малих прямих струмах (десятки міліампер ) .
Мікросплавние діоди.
Їх отримують шляхом сплаву мікрокристалів напівпровідників p - і n - типу провідності сти . За своїм характером мікросплавние діоди будуть площинні , а за своїми параметрами - точкові.
3 ) Вольтамперная характеристика та основні параметри напівпровідникових діодів.
ВАХ ідеального p - n переходу
ВАХ идеального p-n перехода
ВАХ реального p-n перехода
Рис . 31
Вольтамперная характеристика реального діода проходить нижче , ніж у ідеального pn перехо -так : позначається вплив опору бази. Після точки А вольтамперная характеристика буде являти собою пряму лінію , так як при напрузі Uа потенційний бар'єр повністю компенсується зовнішнім полем. Крива зворотного струму ВАХ має нахил , так як за рахунок зростання зворотної напруги збільшується генерація власних носіїв заряду.
Рис . 32
• Максимально допустимий прямий струм Iпр.max .
• Пряме падіння напруги на діод при максимальному прямому струмі Uпр.max .
• Максимально допустима зворотна напруга Uобр.max = ( ⅔ ÷ ¾ ) ∙ Uел.проб .
• Зворотний струм при максимально допустимому зворотному напрузі Iобр.max .
• Пряме і зворотне статичний опір діода при заданих прямому і зворотному
напружених :
RсT . Пр Unp . ;
Inp .
RсT . Обр Uoб .
Ioб .
• Пряме і зворотне динамічний опір діода :
Riп U п ;
Iп .
Riп Uп U ' п ;
Iп I ' п
Rioб Uoб ;
Ioб .
Rioб Uoб U ' oб .
Ioб I ' oб
випрямні діоди
1 ) Загальна характеристика випрямних діодів
2 ) Включення випрямних діодів в схемах випрямлячів
1 ) Загальна характеристика випрямних діодів. Випрямним діодом називається напівпровідниковий діод , призначений для перетворення змінного струму в постій- ний в силових ланцюгах , тобто в джерелах живлення . Випрямні діоди завжди площину -ні , вони можуть бути германієві або кремнієві . Германієві діоди краще кремнієвих тим , що мають менше пряме падіння напруги. Кремнієві діоди перевершують Герма - Нієв по діапазону робочих температур , за максимально допустимому зворотному напруги- нию , а також мають менший зворотний струм .
Якщо випрямлений струм більше максимально допустимого прямого струму діода , то в цьому випадку допускається паралельне включення діодів ( дивіться малюнок 33)
Рис . 33
Додаткові опори Rд величиною від одиниць до десятків Ом включаються з метою ви - равніванія струмів в кожній з гілок .
Якщо напруга в ланцюзі перевершує максимально допустима зворотна напруга діода , то в цьому випадку допускається послідовне включення діодів ( дивіться малюнок 34).
Рис . 34
Шунтуючі опори величиною кілька сот кОм включають для вирівнювання па -дення напруги на кожному з діодів.
2
) Включення випрямних діодів в схемах
випрямлячів . Діоди в схемах випрями -
Мітел включаються по одно- і двохполуперіодній
схемами. Якщо взяти один діод , то струм
в навантаженні буде протікати за одну
половину періоду , тому такий випрямляч
називається однополуперіодним . Його
недолік - малий ККД.
TV1 VD1
+(-)
Rн
Рис. 35
Р ис . 36
Значно частіше застосовуються двухполуперіодні випрямлячі .
Iн
Рис . 38 t
Протягом позитивного напівперіоду напруги Ua (+) діоди VD1 і VD4 відкриті , а VD2 і VD3 - закриті. Ток буде протікати по дорозі: верхня гілка (+) , діод VD1 , навантаження , діод VD4 , нижня гілка (-).
Протягом негативного напівперіоду напруги Ua діоди VD1 і VD4 закриваються , а діоди VD2 і VD3 відкриваються . Ток буде протікати від (+) , нижня гілка , діод VD3 , нагруз -ка , діод VD2 , верхня гілка (-).
Тому струм через навантаження буде протікати в одному і тому ж напрямку за обидва полуперіо -так . Схема випрямляча називається двохполуперіодній .
Якщо понижуючий трансформатор має середню точку , тобто висновок від середини вторинний- ної обмотки , то ЕФС може бути виконаний на двох діодах ( дивіться малюнок 39).
Рис . 39
Стабілітрони , варикапи , світлодіоди і фотодіоди
1 ) Стабілітрони
2 ) Варикапи
3 ) Фотодіоди
4 ) Світлодіоди
1 ) Стабілітрони . Стабілітроном називається напівпровідниковий діод , призначений для стабілізації рівня постійної напруги. Стабілізація - підтримка якогось рівня незмінним. По конструкції стабілітрони завжди площинні та кремнієві . Прин- цип дії стабілітрона заснований на тому , що на його вольтамперної характеристиці є ділянка , на якому напруга практично не залежить від величини протікаючого струму .
Рис . 40
Таким ділянкою є ділянка електричного пробою , а за рахунок легуючих добавок у по- напівпровідників ток електричного пробою може змінюватися в широкому діапазоні , не переходячи в тепловий пробій .
Так як ділянка електричного пробою - це зворотна напруга , то стабілітрон включає -ся зворотним включенням ( дивіться малюнок 40).
Uro
+ Ro Rн
VD1
-
Uн=Uст
Uн=Uст
Рис . 41
Резистор Ro задає струм через стабілітрон таким чином , щоб величина струму була близька до середнього значення між Iст.min і Iст.max . Таке значення струму називається номінальним то -ком стабілізації .
Принцип дії . При зменшенні вхідної напруги струм через стабілітрон і падіння напруги на Ro може зменшуватися , а напруги на стабілітроні і на навантаженні залишаться постійними , виходячи з вольтамперної характеристики . При збільшенні вхідної напруги-ня струм через стабілітрон і URo збільшується , а напруга на навантаженні все одно залишається постійним і рівним напрузі стабілізації .
Висновок: стабілітрон підтримує сталість напруги при зміні струму через нього від Iст.min до Iст.max .
Основні параметри стабілітронів : Напруга стабілізації Uст .
Мінімальне, максимальне і номінальне значення струму стабілізації Iст.min , Iст . - Max , Iст.ном . ( дивіться малюнок 42).
Iпр
Uст
Uст
Uобр
Iстmin
Uпр
Iст
ном
Iст
Рис. 42
ΔUст . - Зміна напруги стабілізації .
Диференціальний опір на ділянці стабілізації:
Rc = Ucт Ucт
ΔІст Icт.max Icт.min
Температурний коефіцієнт стабілізації
Iст Рис . 43
Стабілітрони , призначені для стабілізації малих напруг , називаються стабісто -рами .
Стабистор - для стабілізації напруги менше 3В , і у них використовується пряма гілка ВАХ ( дивіться малюнок 44 ) .
Рис . 44
Застосовуються Стабистор в прямому включенні.
2 ) Варикапи .
Варикапом називається напівпровідниковий діод , у якого в якості основного параметра використовується бар'єрна ємність , величина якої варіюється при зміні зворотної напруги . Отже , варикап застосовується як конденсатор змінної ємності , керований напругою .
Рис. 45
Принцип дії . Якщо до pn переходу прикласти зворотне напруга , то ширина потен- ціального бар'єру збільшується.
Сб о Sp n
Х
При підключенні зворотної напруги ширина переходу ΔХ збільшується, отже , бар'єрна ємність буде зменшуватися. Основною характеристикою варикапов є вольт- фарадні характеристика С = f ( Uобр ) .
С
Uобр
Рис . 46
Основні параметри варикапов .
Максимальний, мінімальний і номінальне значення ємності варикапа .
C max
Коефіцієнт перекриття k - відношення максимальної ємності до мінімальної .
C min
Максимальна робоча напруга варікапа .
3 ) Фотодіоди . Фотодиодом називається фотогальванічний приймач випромінювання , светочув - ствительность елемент якого являють собою структуру напівпровідникового діода без внутрішнього підсилення .
Принцип дії . При опроміненні напівпровідника світловим потоком Ф зростає Фотогем - нерація власних носіїв зарядів ( дивіться малюнок 47 ) , що призводить до збільшення кількості як основних , так і неосновних носіїв зарядів .
Ф
p |
- - - - |
+ + + + |
n |
Рис . 47
Однак фотогенерація в значній мірі буде впливати на зворотний струм , так як не основних носіїв зарядів значно менше , ніж основних .
Рис . 48
Для фотодіодів Iобр - це фототок . Залежність фотоструму Iф від величини світлового потоку Iф = f (Ф) ( дивіться малюнок 49).
Iф
Ф
Рис49
Спектральна характеристика - це залежність фотоструму від довжини хвилі світлового випромінювання ня Iф = f ( λ ) .
Iф Si Ge
Рис . 50
Темновой ток - струм через фотодіод при відсутності світлового потоку і при заданому робочому напрузі.
Інтегральна чутливість - це відношення фотоструму до світлового потоку
Робоча напруга - це зворотна напруга , що подається на фотодіод , при якому всі параметри фотодіода будуть оптимальними
Rн
Рис . 51
4 ) Світлодіоди . Світлодіодом називається напівпровідниковий прилад , в якому відбувається безпосереднє перетворення електричної енергії в енергію світлового випромінювання. Принцип дії . При прямому включенні основні носії заряду переходять через pn перехід і там рекомбінують . Рекомбінація пов'язана з виділенням енергії. Для більшості напівпровідникових матеріалів це енергія теплова . Тільки для деяких ти-пов на основі арсеніду галію ширина забороненої зони ΔW досить велика, і довжина хвилі лежить у видимій частині спектру.
h
W
При зворотному включенні через pn перехід переходять неосновні носії заряду в область , де вони стають основними. Рекомбінація і світіння світлодіода відсутні. Основні характеристики:
а ) Яркостная характеристика - це потужностного залежність випромінювання від прямого струму Pu = f (Іпр ) .
Pu=f(Іпр)
Pu
Iпр Рис. 52
б) Спектральна характеристика - це залежність потужності випромінювання від довжини хвилі Pu = f ( λ ) .
Pu=f(λ).
Pu
Рис . 53
Основні параметри: яскравість світіння при максимальному прямому струмі ; повна потужність випромінювання Pu.max .
Імпульсні , високочастотні (ВЧ ) і надвисокочастотні (НВЧ) діоди
1 ) Імпульсні діоди
2 ) Діоди ВЧ
3 ) НВЧ діоди
1 ) Імпульсні діоди. Імпульсні діоди призначені для роботи в імпульсних ланцюгах з длительностями імпульсів від декількох нс до декількох мкс. Розглянемо роботу звичайного pn переходу при подачі на нього імпульсної напруги .
Uвх
0
Iн
Рис. 55
У проміжок часу від 0 до t1 pn перехід закритий (зворотним напругою нехтуємо ) . У момент t1 pn перехід відкривається , але струм через нього і через навантаження досягає свого мак - мально , тобто сталого значення , не миттєво , а за час tуст . , Яке необ-хідно для заряду бар'єрної ємності pn переходу .
У момент часу t2 pn перехід майже миттєво закривається. Область p - провідності ока- ни опиняються насиченою неосновними носіями зарядів , тобто електронами. Чи не встигли рекомбінувати електрони під дією поля закритого pn переходу повертаються в n -область , за рахунок чого сильно зростає зворотний струм. У міру відходу електронів з p - області зворотний струм зменшується , і через час tвосст . pn перехід відновлює свої
«Закриті » властивості . В імпульсних діодах час відновлення і встановлення повинні бути мінімальними. З цією метою імпульсні діоди конструктивно виконуються точкові -ми або мікросплавнимі . Товщина бази діода робиться мінімальною. Напівпровідник леги - руют золотом для збільшення рухливості електронів.
2 ) Діоди ВЧ . Це універсальні діоди , які можуть бути детекторними , модуляторні -ми , імпульсними при достатніх длительностях імпульсу , і навіть випрямними при малих токах навантаження. Основна відмінність ВЧ діодів - зворотна гілка вольтамперної характе- ристики плавно знижується (збільшується зворотний струм , поступово переходячи в область електричного пробою ) ( дивіться малюнок 56).
Рис . 56
Таке зниження зворотної гілки ВАХ пояснюється посиленою термогенерации власних носіїв зарядів на малій площі pn переходу .
Мікросплавние ВЧ діоди мають більшу бар'єрну ємність , ніж точкові , і для того , щоб їх можна було використовувати на високих частотах , поблизу pn переходу знижують кон- центрацию акцепторной і донорної домішки .
p |
p- |
n- |
n |
Рис. 57
Зниження концентрації домішки призводить до збільшення ширини pn переходу , отже, до зменшення бар'єрної ємності :
о Sp n
Сб Х
3 ) НВЧ діоди . На НВЧ використовуються діоди Шоттки і діоди з pn переходом , площа кото- рого значно менше , ніж у точкових .
Р ис . 58
Загострена вольфрамова дріт у вигляді пружини притискається до бази з певним зусиллям , за рахунок чого утворюється дуже малій площі pn перехід.
Біполярні транзистори Пристрій , класифікація і принцип
дії біполярних транзисторів
1 ) Класифікація та маркування транзисторів
2 ) Пристрій біполярних транзисторів
3 ) Принцип дії біполярних транзисторів
1 ) Класифікація та маркування транзисторів. Транзистором називається полупроводни - ковий преосвітній прилад, що має не менше трьох висновків і здатний підсилю -вати потужність . Класифікація транзисторів проводиться за наступними ознаками:
• За матеріалом напівпровідника - зазвичай германієві або кремнієві ;
• За типом провідності областей (тільки біполярні транзистори ) : з прямою провідності стю ( pnp - структура ) або із зворотного провідністю ( npn - структура) ;
• За принципом дії транзистори поділяються на біполярні і польові ( уніполяр -ні ) ;
• За частотним властивостям ; НЧ ( < 3 МГц) ;
СРЧ ( 3 ÷ 30 МГц) ;
ВЧ і НВЧ ( > 30 МГц) ;
• По потужності. Малопотужні транзистори ММ ( < 0,3 Вт ) , середньої потужності СРМ ( 0,3 ÷ 3 Вт ) , потужні ( > 3 Вт ) .
Маркування .
Г Т - 313 А К П - 103 Л
I II - III IV
Рис . 59
I - матеріал напівпровідника : Г - германій , К - кремній.
II - тип транзистора за принципом дії : Т - біполярні , П - польові .
III - три або чотири цифри - група транзисторів по електричних параметрах . Перша циф -ра показує частотні властивості і потужність транзистора відповідно до нижче наведений -ної таблицею.
P
\
f
<3
МГц
НЧ
3
–
30
МГц
СрЧ
>30
МГц
ВЧ
и
СВЧ
ММ
<0,3
Вт
1
2
3
СрМ
0,3÷3
Вт
4
5
6
М
>3
Вт
7
8
9
IV - модифікація транзистора в 3- й групі.
2 ) Пристрій біполярних транзисторів. Основою біполярного транзистора є кристал напівпровідника p - типу або n - типу провідності , який також як і висновок від нього називається базою.
Дифузією домішки або сплавом з двох сторін від бази утворюються області з
n-p-n p-n-p
n n
p
Э
Б
p p
n
Э
Б
К К Б К
Рис. 60 Рис. 61
p-n-p
Б
Область , що має більшу площу pn переходу , і висновок від неї називають колектором.
Область , що має меншу площу pn переходу , і висновок від неї називають емітером .
pn перехід між колектором і базою називають колекторним переходом , а між емітте -
ром і базою - емітерний переходом .
Напрямок стрілки в транзисторі показує напрямок викликаного струму . основний
особливістю пристрою біполярних транзисторів є нерівномірність концентрації
основних носіїв зарядів у емітер , базі і колекторі. У емітері концентрація носи -
телей заряду максимальна . У колекторі - дещо менше , ніж у емітер . У базі - під
багато разів менше , ніж у емітер і колекторі (малюнок 62).
Э Б К
Рис . 62
3) Принцип дії біполярних транзисторів. При роботі транзистора в усилительном
режимі емітерний перехід відкритий, а колекторний - закритий. Це досягається відповідаю-
щим включенням джерел живлення.
Так як емітерний перехід відкритий, то через нього буде протікати струм емітера, викликаний
переходом електронів з емітера в базу і переходом дірок з бази в емітер. слідчий-
але, струм емітера матиме дві складові - електронну і діркову. ефективність
емітера оцінюється коефіцієнтом інжекції:
(0,999)
Iэ = Iэ.п. + Iэ.р.
Інжекцією зарядів називається перехід носіїв зарядів з області , де вони були основними -
ми в область , де вони стають неосновними . У базі електрони рекомбінують , а їх кон-
центрация в базі поповнюється від « +» джерела Ее , за рахунок чого в ланцюзі бази буде протікати
дуже малий струм . Решта електрони , які не встигли рекомбінувати в базі , під прискорюю -
щим дією поля закритого колекторного переходу як неосновні носії будуть пере-
ходити в колектор , утворюючи струм колектора. Перехід носіїв зарядів з області , де вони
були основними , в область , де вони стають основними , називається екстракцією зоря -
дов. Ступінь рекомбінації носіїв зарядів в базі оцінюється коефіцієнтом переходу
носіїв зарядів δ :
Основное соотношение токов в транзисторе:
α - коефіцієнт передачі струму транзистора або коефіцієнт посилення по струму:
Дірки з колектора як неосновні носії зарядів будуть переходити в базу, утворюючи
зворотний струм колектора Iкбо.
З трьох висновків транзистора на один подається вхідний сигнал, з другого - знімається ви-
Ходна сигнал, а третій висновок є загальним для вхідний і вихідний ланцюга. Таким чином,
розглянута вище схема отримала назву схеми із загальною базою.
Напруга в транзисторних схемах позначається двома індексами в залежності від того,
між якими висновками транзистора ці напруги вимірюються.
Рис65
Так як всі струми і напруги в транзисторі, крім постійної складової мають ще
і змінну складову, то її можна представити як прирощення постійної складу-
ляющие і при визначенні будь-яких параметрів схеми користуватися або змінної склад-
ляющие струмів і напруг, або приростом постійної складової.
де Ік, Iе - змінні складові колекторного і емітерного струму,
ΔIк, ΔIе - постійні складові
Схеми включення
біполярних транзисторів
Схеми включення транзисторів отримали свою назву залежно від того, який з ви -
водів транзисторів буде загальним для вхідний і вихідний ланцюга.
1 ) Схема включення із загальною базою ОБ
2 ) Схема включення з загальним емітером ОЕ
3 ) Схема включення з загальним колектором ОК
4 ) Підсилювальні властивості біполярного транзистора.
1 ) Схема включення із загальною базою ( дивіться малюнок 64). Будь схема включення транзит-
стору характеризується двома основними показниками:
- Коефіцієнт посилення по струму Iвих / Iвх ( для схеми із загальною базою Iвих / Iвх = Ік / Iэ = α [ α < 1 ] )
Вхідний опір Rвхб = Uвх / Iвх = Uбэ / Iэ .
Вхідний опір для схеми із загальною базою мало і складає десятки Ом , так як вхід -
ная ланцюг транзистора при цьому представляє собою відкритий емітерний перехід транзісто -
ра . Недоліки схеми із загальною базою:
Схема не підсилює струм α < 1
Малий вхідний опір
Два різних джерела напруги для живлуння
Переваги - хороші температурні і частотні властивості .
2 ) Схема включення з загальним емітером . Ця схема , зображена на малюнку 66 , являють -
ся найбільш поширеною , так як вона дає найбільше посилення по потужності.
Р Iвх = Iб
Iвых = Iк
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ
β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10÷100)
Rвх.э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 100÷1000)
Коефіцієнт посилення по струму такого каскаду являє собою відношення амплітуд (або
діючих значень ) вихідного і вхідного змінного струму , тобто змінних склад -
ляющих струмів колектора і бази. Оскільки струм колектора в десятки разів більше струму
бази , то коефіцієнт посилення по струму становить десятки одиниць.
Коефіцієнт посилення каскаду по напрузі дорівнює відношенню амплітудних або дію-
щих значень вихідного і вхідного змінної напруги . Вхідним є змінне
напруга база - емітер Uбе , а вихідним - змінну напругу на резисторі навантаження
Rн або , що те ж саме , між колектором і емітером - Uке :
Напруга база - емітер не перевищує десятих часток вольта , а вихідна напруга при
достатньому опорі резистора навантаження і напрузі джерела Ек досягає оди-
ниць , а в деяких випадках і десятків вольт. Тому коефіцієнт посилення каскаду по
напрузі має значення від десятків до сотень. Звідси випливає , що коефіцієнт зусилля-
ня каскаду по потужності виходить рівним сотням , або тисячам , або навіть десяткам ти -
сяч. Цей коефіцієнт представляє собою відношення вихідної потужності до вхідних . каж -
дая з цих потужностей визначається половиною твори амплітуд відповідних то -
ков і напруг . Вхідний опір схеми з загальним емітером мало ( від 100 до 1000
Ом). Каскад за схемою ОЕ при посиленні перевертає фазу напруги, тобто між вихід -
вим і вхідним напругою мається фазовий зсув 180 °.
Переваги схеми із загальним емітером :
Великий коефіцієнт посилення по струму
Бóльшее , ніж у схеми із загальною базою , вхідний опір
Для живлення схеми потрібні два однополярних джерела , що дозволяє на практиці
обходитися одним джерелом живлення.
Недоліки : гірші , ніж у схеми із загальною базою , температурні і частотні властивості . одна -
ко за рахунок переваг схема з ОЕ застосовується найбільш часто.
3 ) Схема включення з загальним колектором.
Iвх = Iб
Iвых = Iэ
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ
Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n
n = 10 … 100
Rвх = Uбк / Iб = n (10÷100) кОм
Рис67
У схемі з ОК ( дивіться малюнок 67 ) колектор є спільною точкою входу і виходу , по-
кільки джерела живлення Еб і Ек завжди шунтовані конденсаторами великої місткості і
для змінного струму можуть вважатися короткозамкненими . Особливість цієї схеми в
тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід , т. з . дуже сильна від -
ріцательно зворотний зв'язок. Неважко бачити , що вхідна напруга дорівнює сумі змін -
ного напруги база - емітер Uбе і вихідної напруги. Коефіцієнт посилення по струму
каскаду з загальним колектором майже такий же , як і в схемі з ОЕ , тобто дорівнює кільком
десяткам . Однак , на відміну від каскаду з ОЕ , коефіцієнт посилення по напрузі схеми з
ОК близький до одиниці , причому завжди менше її . Змінна напруга , подане на вхід
транзистора , посилюється в десятки разів (так само, як і в схемі ОЕ) , але весь каскад НЕ
дає підсилення. Коефіцієнт посилення по потужності дорівнює приблизно кільком десяткам .
Розглянувши полярність змінних напруг у схемі , можна встановити, що фазового
зсуву між U вих і Uвх немає. Значить , вихідна напруга збігається по фазі з вхідним і
майже дорівнює йому . Тобто , вихідна напруга повторює вхідний . Саме тому даний
каскад зазвичай називають емітерний повторювачем і зображують схему так , як показано на
малюнку 68 .
Емітерним - тому, що резистор навантаження включений у провід виведення емітера і вихідна
напруга знімається з емітера (щодо корпусу) . Так як вхідні ланцюг являє
собою закритий колекторний перехід , вхідний опір каскаду за схемою ОК склад -
ляє десятки килоом , що є важливою перевагою схеми . вихідний опір
схеми з ОК , навпаки , виходить порівняно невеликим , зазвичай одиниці килоом або
сотні ом . Ці гідності схеми з ОК спонукають використовувати її для узгодження раз -
особистих пристроїв по вхідному опору .
Недоліком схеми є те , що вона не посилює напругу - коефіцієнт посилення
трохи менше 1 .
4 ) Підсилювальні властивості біполярного транзистора. Незалежно від схеми включення ,
транзистор характеризується трьома коефіцієнтами підсилення:
KI = Iвих / Iвх - по струму ;
KU = U вих / Uвх = ( Iвих ∙ Rн ) / ( Iвх ∙ Rвх ) = KI ∙ Rн / Rвх - по напрузі ;
KP = Pвих / Pвх = ( U вих ∙ Iвих ) / ( Uвх ∙ Iвх ) = KI ∙ KU - по потужності.
Для схеми із загальною базою:
KI = Ік / Iе = α ( α < 1 )
Е. А. Моськатов . Стор. 35
KU = α ∙ ( Rн / Rвх )
Rн ≈ n ∙ 1кОм
Rвх ≈ n ∙ 10 Ω
KU ≈ n ∙ 100
KP = KU / KI = n ∙ 100
Для схеми із загальним колектором :
KI = Iе / Іб = β + 1 = n
KU = β ∙ ( Rн / Rвх ) ≈ n
KU < 1
Для схеми із загальним емітером :
KI = Ік / Іб = β = n ( 10 ÷ 100 )
KU = β ∙ ( Rн / Rвх )
KP = KI ∙ KU = n ∙ ( 1000 ÷ 10000 )
Робота підсилювального каскаду з транзистором відбувається наступним чином. Уявімо
транзистор змінним резистором ro , послідовно з яким включено навантажувальний
опір Rн і джерело живлення Е. Напруга джерела Е ділиться між сопротив -
ленням навантаження RH і внутрішнім опором транзистора ro , яке він робить посто -
янному току колектора. Це опір наближено дорівнює опору колектор -
ного переходу транзистора для постійного струму. Насправді до цього опираючись-
нию ще додаються невеликі опору емітерного переходу , а також n - і p -об-
ластей , але ці опору можна не брати до уваги.
Якщо у вхідні ланцюг включається джерело коливань , то при зміні його напруги
змінюється струм емітера , а отже , опір колекторного переходу . тоді
напруга джерела Е буде перерозподілятися між Rн і ro . При цьому змінна
напруга на резисторі навантаження може бути отримано в десятки разів більшим , ніж вхід -
ве змінну напругу . Зміни струму колектора майже рівні змін струму Еміт-
тера і у багато разів більше змін струму бази. Тому в даній схемі получа -
ється значне посилення струму і дуже велике посилення потужності. Посилена мощ -
ність є частиною потужності, що витрачається джерелом Е.
Статичні характеристики
транзисторів
1 ) Статичні характеристики транзистора за схемою ПРО
2 ) Статичні характеристики транзистора за схемою ОЕ
1 ) Статичні характеристики транзистора за схемою ПРО . Статичним режимом робо -
ти транзистора називається такий режим , при якому зміна вхідного струму або напря-
вання не викликає зміна вихідної напруги . Статичні характеристики каска -
да , включеного за схемою з ПРО , вимірюються за загальною схемою , зображеної на малюнку 69 .
Статичні характеристики транзисторів бувають двох видів: вхідні і вихідні.
1 ) Вхідна характеристика . Iвх = f (Uвх ) при U вих = const
Вхідні характеристики - це залежність вхідного струму від вхідної напруги при посто -
янном вихідній напрузі .
Iвх = f (Uвх ) при U вих = const
Iе
= f ( Uбе ) при Uбк = const
Вхідні характеристики являють собою пряму гілку відкритого pn переходу . При збіль-
ліченіі вихідної напруги Uке носії заряду швидше пролітають базу , рекомбінують -
ють , отже , і струм бази зменшується. Тому характеристика при Uке > 0 буде прохо-
дить нижче.
Для схеми включення з загальним емітером Iвих = f ( U вих ) при Iвх = Const , Ік = f ( Uке ) при Іб = Const
дані ілюстрації Рис . 70 - 72.
Резистором R1 ( дивіться схему Рис . 69 ) змінюється напруга база- емітер , а резистором
R2 підтримується постійним Uбк . Зазвичай вхідні характеристики вимірюються при двох
значеннях постійної напруги Uбк ( дивіться Рис . 73 , а).
Вхідні характеристики являють собою пряму гілку відкритого емітерного переходу .
2 ) Вихідна характеристика . Ця залежність вихідного струму від вихідної напруги
при постійному вхідному струмі.
Для схеми включення із загальною базою Ік = f ( Uбк ) при Iе = Const дана ілюстрація Рис . 74 , з ко-
торою видно , що вихідні характеристики являють собою прямі лінії , майже парал -
лельного осі напруги.
Це пояснюється тим , що колекторний перехід закритий незалежно від величини напруги
база- колектор , і струм колектора визначається тільки кількістю носіїв заряду , прохо-
дящих з емітера через базу в колектор , тобто струмом емітера.
2 ) Статичні характеристики транзистора за схемою ОЕ
На малюнку 75 зображена схема установки для вимірювання статичних характеристик транзит-
стору , включеного за схемою з ОЕ.
Iвх = f (Uвх ) при U вих = Const
Іб = f ( Uбе ) при Uке = Const
Ілюстрація вхідних характеристик приведена на Рис. 73 , б .
Динамічний режим
роботи транзистора
1 ) Поняття про динамічному режимі
2 ) Динамічні характеристики і поняття робочої точки
3 ) Ключовий режим роботи транзистора
1 ) Поняття про динамічному режимі .
Динамічним режимом роботи транзистора називається такий режим , при якому у вихід -
ної ланцюга варто навантажувальний резистор , за рахунок якого зміна вхідного струму або напря-
вання буде викликати зміна вихідної напруги .
На Рис . 76 резистор Rк - це колекторна навантаження для транзистора , включеного за схемою з
ОЕ , що забезпечує динамічний режим роботи .
ЄК = URк + Uке
URк = Ік ∙ Rк
ЄК = Uке + Ік ∙ Rк
Uке = Eк - Ік ∙ Rк - рівняння динамічного режиму роботи транзистора.
2 ) Динамічні характеристики і поняття робочої точки . Рівняння динамічної
чеського режиму є рівнянням вихідний динамічної характеристики . Так як це
рівняння лінійне , вихідна динамічна характеристика являє собою пряму чи -
нію і будується на вихідних статичних характеристиках ( дивіться Рис . 77).
Дві точки для побудови прямої знаходяться з початкових умов .
Ік при Uке = 0 називається струмом колектора насичення. Вихідна динамічна характери-
стіки отримала назву навантажувальної прямої . За навантажувальної прямої можна побудувати вхід -
ную динамічну характеристику. Але оскільки вона дуже близька до вхідних статичної ха-
характеристиці при Uке > 0 , то на практиці користуються вхідний статичною характеристикою .
Точка перетину навантажувальної прямої з однієї з гілок вихідний статичної характери-
Стік для заданого струму бази називається робочою точкою транзистора. Робоча точка позво-
ляє визначати струми і напруги , реально існуючі в схемі .
3 ) Ключовий режим роботи транзистора (транзистор в режимі ключа). В за -
висимости від стану pn переходів транзисторів розрізняють 3 види його роботи:
Режим відсічення . Це режим , при якому обидва його переходу закриті (і емітерний і
колекторний ) . Струм бази в цьому випадку дорівнює нулю. Струм колектора буде дорівнює обрат -
ному току. Рівняння динамічного режиму буде мати вигляд:
Uке = Eк - Iкбо ∙ Rк
Твір Iкбо ∙ Rк дорівнюватиме нулю. Значить , Uке → Eк .
Режим насичення - це режим , коли обидва переходу - і емітерний , і колекторний
відкриті , в транзисторі відбувається вільний перехід носіїв зарядів , струм бази буде
максимальний , струм колектора буде дорівнює струму колектора насичення.
Іб = max ; Ік ≈ Iк.н. ; Uке = Eк - Iк.н ∙ Rн
Твір Iк.н ∙ Rн буде прагнути до Eк . Значить , Uке → 0 .
Лінійний режим - це режим , при якому емітерний перехід відкритий , а колекторний
закритий.
Iб.max > Іб > 0 ;
Iк.н > Ік > Iкбо
Eк > Uке > Uке.нас
Ключовим режимом роботи транзистора називається такий режим , при якому робоча точка
транзистора стрибкоподібно переходить з режиму відсічення в режим насичення і навпаки , мі-
Резистор Rб обмежує струм бази транзистора , щоб він не перевищував максимально допу -
Стіма значення. У проміжок часу від 0 до t1 вхідна напруга і струм бази близькі до
нулю , і транзистор знаходиться в режимі відсічки. Напруга Uке , є вихідним і буде
близько до Eк . У проміжок часу від t1 до t2 вхідна напруга і струм бази транзистора
стають максимальними , і транзистор перейде в режим насичення. Після моменту вре-
мени t2 транзистор переходить в режим відсічення .
Висновок: транзисторний ключ є інвертором , тобто змінює фазу сигналу на 180 º .
Еквівалентна схема транзистора
1 ) Еквівалентна схема транзистора з ПРО
2 ) Еквівалентна схема транзистора з ОЕ
3 ) Еквівалентна схема транзистора з ОК
4 ) Транзистор як активний чотириполюсник
1 ) Еквівалентна схема транзистора з ПРО . Еквівалентна схема транзистора може
бути побудована на підставі того , що опір відкритого емітерного переходу со-
ставлять десятки Ом.
Rе = n ∙ 10 Ом
rб = n ∙ 100 Ом
rк = n ∙ ( 10 ÷ 100 ) кОм
Rвх = Rе = n ∙ 10 Ом
2 ) Еквівалентна схема транзистора з ОЕ .
3 ) Еквівалентна схема транзистора з ОК ( емітерний повторювач ) .
4 ) Транзистор як активний чотириполюсник .
Будь транзистор незалежно від схеми включення володіє рядом параметрів , які віз-
можна розбити на дві групи:
Граничні параметри - все максимальні значення
Параметри транзистора в режимі малого сигналу.
Дані параметри об'єднуються в кілька систем параметрів , які можна визна-
лити , представивши транзистор у вигляді активного чотириполюсника .
Чотириполюсником називається будь електричний пристрій , що має 2 вхідних і 2
вихідних затиску.
Активним чотириполюсником називається чотириполюсник , здатний підсилювати мощ -
ність .
Уявімо транзистор у вигляді активного чотириполюсника .
Привласнимо вхідним струму і напрузі індекс « 1 » , а вихідним індекс «2». для транзисторів
досить знати дві будь-які змінні з чотирьох - U1 , U2 , I1 , I2 . Дві інші визначаються-
ються з статичних характеристик транзистора. Змінні , які відомі або ж кото-
римі задаються , називаються незалежними змінними. Дві інші змінні , які
можна визначити , називаються залежними змінними. Залежно від того, які з
змінних будуть вибиратися у вигляді незалежних , можна отримати різні системи пара-
метрів в режимі малого сигналу.
Система h -параметрів транзистора
Y- параметри
1 ) h - параметри та їх фізичний зміст
2 ) Визначення h -параметрів по статичних характеристиках
3 ) Y- параметри транзисторів
1 ) h - параметри та їх фізичний зміст . В системі h -параметрів у вигляді незалежних
змінних прийняті вхідний струм і вихідна напруга . У цьому випадку залежні змін -
ві U1 = f ( I1 , U2 ) ; I2 = f ( I1 , U2 ) . Повний диференціал функцій U1 і I1 дорівнює
Перейдемо від нескінченно малих збільшень dU1 , dI1 , dU2 , dI2 до кінцевих приращениям . по-
лучім :
У режимі малого сигналу прирощення постійних складових ΔU1 , ΔI1 , ΔU2 і ΔI2 можна
замінити амплітудними значеннями змінних складових цих же струмів і напруг.
отримаємо :
У першому рівнянні системи ( 1 ) прирівняємо Um2 до 0 . отримаємо :
Um1 = h11 ∙ Im1 h11 = Um1 / Im1
h11 - це вхідний опір транзистора при Um2 = 0 тобто при короткому замиканні в
вихідний ланцюга по змінному струмі ( конденсатором ) .
У першому рівнянні системи ( 1 ) прирівняємо Im1 до 0 . отримаємо :
h12 - являє собою коефіцієнт зворотного зв'язку на холостому ходу у вхідному ланцюзі по
змінному струму. Коефіцієнт зворотного зв'язку показує ступінь впливу вихідного
напруги на вхідний ( котушкою індуктивності) .
У другому рівнянні системи ( 1 ) прирівняємо Um2 до 0 . отримаємо :
Um2 = 0
Im2 = h21 ∙ Im1
h21 = Im2 / Im1
h21 - коефіцієнт посилення по струму транзистора або коефіцієнт передачі струму при ко-
Ротко замиканні вихідний ланцюга по змінному струмі .
Прирівняємо в другому рівнянні системи ( 1 ) Im1 до 0 . отримаємо :
Im2 = h22 ∙ Um2
h22 = Im2 / Um2
h22 - вихідна провідність на холостому ходу у вхідному ланцюзі .
2 ) Визначення h -параметрів по статичних характеристиках . Так як стати-
теристики транзисторів вимірюються лише на постійному струмі , то при визначенні-
нии амплітудних параметрів струмів і напруг представимо у вигляді збільшення постійних
складових.
Величини h11 і h12 визначаються за вхідним характеристикам транзистора. Розглянемо гра-
фоаналітіческое визначення h параметрів на прикладі схеми із загальним емітером . зважаючи
того , що транзистор завжди працює з вхідним струмом , потрібно користуватися вхідними і
вихідними характеристиками ( дивіться Рис . 85 - 87). Будемо вважати , що навантажувальний опору-
тивление каскаду буде однаковим і для постійного , і для змінного струму. Необхідний h -
параметр розраховується з наведених нижче формул . З малюнків видно , що підставляла -
мі в формули дані знаходяться шляхом проекції точок на осі координат.
Параметри h21 і h22 визначаються за вихідним характеристикам ( дивіться Рис . 87).
3 ) Y- параметри транзисторів.
Параметри транзисторів є величинами , котрі характеризують їх властивості . За допомогою
параметрів можна оцінювати якість транзисторів , вирішувати завдання, пов'язані із застосуванням
транзисторів в різних схемах , і розраховувати ці схеми .
Для транзисторів запропоновано декілька різних систем параметрів , у кожної свої досто -
інство і недоліки.
Всі параметри поділяються на власні ( або первинні ) і вторинні . Власні характе-
різуют властивості самого транзистора , незалежно від схеми його включення , а вторинні пара-
метри для різних схем включення різні. Основні первинні параметри : коефіцієнти -
ент посилення по струму α , опору rб , R е , rк .
Y- параметри відносяться до вторинних параметрах . Вони мають сенс проводимостей . для
низьких частот вони є чисто активними і тому їх іноді позначають буквою g з со-
відповідними індексами.
Всі системи вторинних параметрів засновані на тому , що транзистор розглядається як
чотириполюсник ( 2 входи і 2 виходи ) . Вторинні параметри пов'язують вхідні і вихід -
ві змінні струми і напруги і справедливі тільки для малих амплітуд . Тому їх
ще називають низькочастотними малосигнальної параметрами.
Вхідна провідність : y11 = ΔI1 / ΔU1 , U2 = Const . Провідність зворотного зв'язку : y12 = ΔI1 /
ΔU2 , U1 = Const .
Параметр y12 показує , яка зміна струму I1 виходить за рахунок зворотного зв'язку при з -
менении вихідної напруги U2 на 1В. Провідність управління ( крутизна ) : y21 = ΔI2 /
ΔU1 , U2 = Const .
Величина y21 характеризує управляє вплив вхідної напруги U1 на вихідний струм
I2 і показує зміну I2 при зміні U1 на 1В. Вихідна провідність :
y22 = ΔI2 / ΔU2 , U1 = Const . У систему y -параметрів іноді додають ще статичний коеф-
фициент посилення по напрузі
μ = - ΔU2 / ΔU1 при I2 = Const . При цьому μ = y21 / y22 .
Гідність y -параметрів - їх схожість з параметрами електронних ламп. недолік -
дуже важко вимірювати y12 і y22 , т. к. треба забезпечити режим КЗ для змінного струму на вхо -
де , а що вимірює мікроамперметр має опір , порівнянне з вхідним опираючись-
ням самого транзистора. Тому набагато частіше використовують змішані ( або гібридні ) h
параметри , які зручно вимірювати і які призводять у всіх довідниках.
Температурні і частотні властивостітранзисторів. Фототранзистори
1 ) Температурне властивість транзисторів
2 ) Частотне властивість транзисторів
3 ) Фототранзистори
1 ) Температурне властивість транзисторів. Діапазон робочих температур транзистора
визначається температурними властивостями pn переходу . При його нагріванні від кімнатної
температури ( 25 º C ) до 65 º C опір бази та закритого колекторного переходу змен -
щує на 15 - 20 %. Особливо сильно нагрівання впливає на зворотний струм колектора Iкбо . він
збільшується в два рази при збільшенні на кожні 10 º C. Все це впливає на характеристики
транзистора і положення робочої точки ( дивіться Рис . 88).
Струм колектора збільшується , а напруга Uке зменшується , що рівносильно відкриванню
транзистора. Висновок: схеми включення транзисторів із загальним емітером вимагають температур -
ної стабілізації .
2 ) Частотне властивість транзисторів. Діапазон робочих частот транзистора визначаються-
ється двома факторами:
Наявність бар'єрних ємностей на pn переходах. Колекторна ємність впливає значно
сильніше , так як вона підключається паралельно великому опору ( дивіться Рис .
89).
Виникнення різниці фаз між струмами емітерами і колектора. Струм колектора від -
постає від струму емітера на час, необхідний для подолання бази носіями заряду.
1 ) ω1 = 0 , φ1 = 0
Із збільшенням частоти коефіцієнт посилення по струму зменшується. Тому для оцінки ча-
стотних властивостей транзистора застосовується один з основних параметрів - параметр граничні
ної частоти fгр . Граничною частотою називається така частота , на якій коефіцієнт усі-
лення зменшується в √ 2 разів. Коефіцієнт посилення через граничну частоту можна визна-
лити за формулою
βo - коефіцієнт підсилення на постійному струмі
f - частота , на якій визначається коефіцієнт посилення β .
3 ) Фототранзистори . Фототранзистором називається фотогальванічний приймач све-
тового випромінювання , фоточуттєвий елемент якого являє собою структуру тран-
зістора , що забезпечує внутрішнє посилення ( дивіться Рис . 93).
При висвітленні бази в ній відбувається фотогенерація носіїв зарядів . Неосновні носи -
тели заряду йдуть у колектор через закритий колекторний перехід , а основні накопичуючись -
ються в базі , підвищуючи тим самим відмикають дію емітерного переходу . Ток емітера , а
отже , струм колектора зростає. Значить , управління колекторним струмом фототран -
зістора здійснюється струмом бази транзистора.
польові транзистори
Уявлення про польових транзисторах
1 ) Пристрій і принцип дії польових транзисторів з керуючим
p - n переходом
2 ) Характеристики і параметри польових транзисторів
3 ) Польові транзистори з ізольованим затвором
4 ) Польові транзистори для ІМС , репрограмміруемом постійних запо -
Міна пристроїв ( РПЗУ )
1 ) Пристрій і принцип дії польових транзисторів з керуючим
p - n переходом . Польовим транзистором називається напівпровідниковий прилад, в якому
струм створюється тільки основними носіями зарядів під дією поздовжнього електричного
ського поля , а керуюче цим струмом здійснюється поперечним електричним полем , ко-
торое створюється напругою , прикладеним до керуючого електрода .
Кілька визначень:
Висновок польового транзистора , від якого закінчуються основні носії зарядів , нази -
ється витоком.
Висновок польового транзистора , до якого стікають основні носії зарядів , називаючи-
ється стоком.
Висновок польового транзистора , до якого прикладається управляє напруга ,
створює поперечне електричне поле називається затвором.
Ділянка напівпровідника , по якому рухаються основні носії зарядів , між pn
переходом , називається каналом польового транзистора.
Тому польові транзистори поділяються на транзистори з каналом p - типу або n - типу.
Умовне графічне зображення ( УДО ) польового транзистора з каналом n - типу зображення-
Принцип дії розглянемо на прикладі транзистора з каналом n - типу.
1 ) Uзи = 0 ; Ic1 = max ;
2 ) | Uзи |> 0 ; Ic2 < Ic1
3 ) | Uзи | >> 0 ; Ic3 = 0
На затвор завжди подається така напруга , щоб переходи закривалися. Напруга між-
ду стоком і витоком створює поздовжнє електричне поле , за рахунок якого через канал
рухаються основні носії зарядів , створюючи струм стоку.
1 ) За відсутності напруги на затворі pn переходи закриті власним внутріш -
ним полем , ширина їх мінімальна, а ширина каналу максимальна і струм стоку буде
максимальним.
2 ) При збільшенні замикаючої напруги на затворі ширина pn переходів збільшуючи-
ється , а ширина каналу і струм стоку зменшуються.
3 ) При досить великих напругах на затворі ширина pn переходів може уве-
лічіться настільки, що вони зіллються , струм стоку стане рівним нулю.
Напруга на затворі , при якому струм стоку дорівнює нулю , називається напругою відсічення .
Висновок: польовий транзистор являє собою керований напівпровідниковий прилад ,
так як , змінюючи напругу на затворі , можна зменшувати струм стоку і тому прийнято гово-
рить , що польові транзистори з керуючими pn переходами працюють тільки в режимі
збіднення каналу.
2 ) Характеристики і параметри польових транзисторів. До основних характери-
стікам відносяться:
Стокозатворная характеристика - це залежність струму стоку ( Ic ) від напруги на за -
творе ( Uсі ) для транзисторів з каналом n - типу.
Стокова характеристика - це залежність Ic від Uсі при постійній напрузі на
затворі ( дивіться Рис . 100). Ic = f ( Uсі ) при Uзи = Const
Основні параметри:
1 ) Напруга відсічення .
2 ) Крутизна стокозатворной характеристики . Вона показує , на скільки міліампер вимірюв-
нітся струм стоку при зміні напруги на затворі на 1В.
3 ) Внутрішній опір (або вихідна ) польового транзистора.
4 ) Вхідний опір.
Так як на затвор подається тільки замикає напруга , то струм затвора представлятиме
собою зворотний струм закритого pn переходу і буде дуже малий. Величина вхідного сопротив -
лення Rвх буде дуже велика і може досягати 109 Ом.
3 ) Польові транзистори з ізольованим затвором. Дані прилади мають за -
твор у вигляді металевої плівки , яка ізольована від напівпровідника шаром діелектричної
ка , у вигляді якого застосовується окис кремнію. Тому польові транзистори з ізольований -
вим затвором називають МОП і МДП. Абревіатура МОП розшифровується як метал ,
окис , напівпровідник. МДП розшифровується як метал , діелектрик , напівпровідник.
МОП - транзистори можуть бути двох видів:
Транзистори з вбудованим каналом
Транзистори з індукованим каналом.
Транзистор з вбудованим каналом.
Основою такого транзистора є кристал кремнію p - або n - типу провідності .
Для транзистора з n -типом провідності :
Uзи = 0 ; Ic1 ;
Uзи > 0 ; Ic2 > Ic1 ;
Uзи < 0 ; Ic3 < Ic1 ;
Uзи << 0 ; Ic4 = 0 .
Принцип дії .
Під дією електричного поля між стоком і витоком через канал будуть протікати
основні носії зарядів, тобто буде існувати струм стоку. При подачі на затвор поклади-
тельного напруги електрони як неосновні носії підкладки будуть притягатися в
канал. Канал збагатиться носіями заряду , і струм стоку збільшиться.
При подачі на затвор негативного напруги електрони з каналу будуть йти у
підкладку , канал обідниться носіями зарядів , і струм стоку зменшиться. при досить
великих напружених на затворі всі носії заряду можуть з каналу йти в підкладку , і
струм стоку стане рівним нулю.
Висновок: МОП - транзистори з вбудованим каналом можуть працювати як в режимі збагачення
ня , так і в режимі збіднення зарядів .
Транзистори з індукованим каналом.
Uз = 0 ; Ic1 = 0 ;
Uз < 0 ; Ic2 = 0 ;
Uз > 0 ; Ic3 > 0.
При напружених на затворі , рівних або менше нуля , канал відсутній , і струм стоку буде
дорівнює нулю. При позитивних напругах на затворі електрони , як не основні носите -
Чи заряду підкладки p - типу , будуть притягатися до затвору , а дірки будуть йти вглиб
підкладки. У результаті в тонкому шарі під затвором концентрація електронів перевищить кон-
центрацию дірок , тобто в цьому шарі напівпровідник поміняє тип своєї провідності . образу -
ється ( індукується ) канал , і в ланцюзі стоку потече струм.
Висновок: МОП - транзистори з індукованим каналом можуть працювати тільки в режимі обо-
збагачення .
МОП - транзистори володіють бόльшім вхідним опором , ніж транзистори з управ -
ляем переходом . Rвх = ( 1013 ÷ 1015 ) Ом.
4 ) Польові транзистори для ІМС РПЗУ . У інтегральних мікросхемах РПЗУ в
вигляді осередки для зберігання 1 біт інформації використовуються польові транзистори МНОП або
МОП - транзистори з плаваючим затвором. Абревіатура МНОП розшифровується слідую -
щим чином . М - метал , Н - сплав HSi3N4 , О - оксид металу , П - напівпровідник.
Принцип дії цих транзисторів заснований на тому , що в сильних електричних полях
електрони можуть проникати в діелектрик на глибину до 1 мкм.
МНОП -структура транзистора зображена на Рис. 106 .
Транзистори структури МНОП мають двошаровий діелектрик. Перший шар , завтовшки ме-
неї 1мкм - це окис кремнію , другий шар - товщиною кілька мікронів - нітрид кремнію.
Без програмування цей транзистор працює як звичайний МОП - транзистор і містить
логічну одиницю інформації .
Для програмування логічного нуля на затвор подають короткочасне напруга ( U =
25 ÷ 30В ) . Під дією цієї напруги електрони проходять шар окису малої товщини ,
але не можуть пройти шар нітриду кремнію і скупчуються на кордоні цих шарів. оскільки
напруга короткочасно , то вони залишаються на кордоні шарів цих діелектриків . залишати-
шись , електрони створюють об'ємний негативний заряд , який може зберігатися скільки
завгодно довго. За рахунок цього заряду виникає електричне поле , яке протидіє полю
затвора. Щоб індукувати канал в транзисторі , на затвор необхідно подавати більшу
напруга , щоб подолати дію поля об'ємного заряду. Це відповідає зрушенню сто -
козатворной характеристики вправо по осі напруг. При подачі на затвор імпульсу
запиту 5В канал индуцироваться не буде, струм стоку і струм в навантаженні відсутні, і на на -
грузке буде рівень логічного нуля .
Для стирання інформації на затвор подають також напруга 25 ÷ 30В , тільки отрицатель -
ної полярності .
Структура МНОП - транзисторів з плаваючим затвором.
У шарі оксиду кремнію створюється область з алюмінію або полікристалічного кремнію на
відстані менше 1 мкм від напівпровідника ( дивіться Рис . 108).
Принцип дії МОП - транзисторів з плаваючим затвором точно такий же , як у транзит-
сторов МНОП , тільки при програмуванні електрони накопичуються в плаваючому затворі
з алюмінію або кремнію. Стирання інформації здійснюється ультрафіолетовим облуче -
ням .
Тиристори
Тиристором називається чотиришаровий напівпровідниковий прилад, що з послідовно-
вательно чергуються областей p - і n - типів провідності .
Перший вид тиристорів - це діністори .
діністоров - це діодні тиристори , або некеровані переключательние діоди.
Тріністори - це керовані переключательние діоди.
Сімістори - це симетричні тиристори , тобто тиристори із симетричною ВАХ .
Розглянемо ці прилади.
1 ) Пристрій і принцип дії діністоров .
2 ) Основні параметри тиристорів.
3 ) Тріністори .
4 ) Поняття про сімісторов .
1 ) Пристрій і принцип дії діністоров . Зовнішня p - область і висновок від
Зовнішня n - область і висновок від неї називається катодом. Внутрішні p - і n - області називають -
ся базами динистора . Крайні pn переходи називаються еміттерними , а середній pn перехід
називається колекторним . Подамо на анод «-» , а на катод «+». При цьому еміттерние перехо -
ди будуть закриті , колекторний відкритий. Основні носії зарядів з анода і катода НЕ
зможуть перейти в базу , тому через динистор буде протікати тільки маленький зворотний
струм , викликаний неосновними носіями заряду.
Якщо на анод подати «+» , а на катод «-» , емітерний переходи відкриваються , а колекторнийзакривається.
Діністори застосовуються у вигляді безконтактних перемикачів пристроїв , керованих
напругою .
Принцип дії .
Основні носії зарядів переходять з анода в базу 1 , а з катода - в базу 2 , де вони стано-
вятся неосновними і в базах відбувається інтенсивна рекомбінація зарядів , в результаті ко-
торою кількість вільних носіїв зарядів зменшується. Ці носії заряду підходять до
колекторному переходу , поле яких для них буде пришвидшує , потім проходять базу і
переходять через відкритий емітерний перехід , т. к. в базах вони знову стають основними.
Пройшовши емітерний переходи , електрони переходять в анод , а дірки - в катод , де вони вторинний-
але стають не основними і вдруге відбувається інтенсивна рекомбінація . В результаті
кількість зарядів , що пройшли через динистор , буде дуже мало і прямий струм також буде
дуже малий. При збільшенні напруги прямий струм незначно зростає , т. к. збільшуючи-
ється швидкість руху носіїв , а інтенсивність рекомбінації зменшується. При повели-
чении напруги до певної величини відбувається електричний пробій колектор -
ного переходу . Опір динистора різко зменшується , струм через нього сильно увеличи -
ється і падіння напруги на ньому значно зменшується. Вважається , що динистор
перейшов з вимкненого стану у включене .
2 ) Основні параметри тиристорів.
Напруга включення ( Uвкл ) - це напруга , при якому струм через динистор на -
чинает сильно зростати.
Струм включення ( Iвкл ) - це струм, відповідний напрузі включення.
Ток виключення ( Iвикл ) - це мінімальний струм через тиристор , при якому він
залишається ще у включеному стані.
Залишкова напруга ( Uост ) - це мінімальна напруга на тиристорі під вклю -
ченном стані.
Струм витоку ( Io ) - це струм через тиристор у вимкненому стані при заданому
напрузі на аноді .
Максимально допустима зворотна напруга ( Uобр.max ) .
Максимально допустимий пряме напруга ( Uпр.max ) .
Час включення ( tВКЛ ) - це час, за який напруга на тиристорі зменшиться
до 0,1 напруги включення.
Час включення ( tвикл ) - це час, за який тиристор переходить з включеного в
вимкнений стан .
3 ) Тріністори .
Тріністори можна включати при напружених , менших напруги включення динистора .
Для цього достатньо на одну з баз подати додаткову напругу таким чином , що -
б створюване їм поле збігалося за напрямком з полем анода на колекторному переході.
Можна подати струм управління на другу базу , але для цього на керуючий електрод необ-
димо подавати напругу негативної полярності щодо анода , і тому разли-
чають тріністори з керуванням по катоду і з управлінням по анода.
На малюнках 114 - 119 зображені умовні графічні позначення ( УДО ) розглядає-
екпортувати в даній темі приладів. На малюнку 114 - УДО динистора , на 115 - тринистора з управ -
ленням по катоду , на 116 - тринистора з керуванням по анода , на 117 - некерованого си-
містора , на 118 - симистора з керуванням по анода, і на 119 , відповідно, симистора з
управлінням з катода.
Маркування розшифровується так :
КН102Б - кремнієвий динистор ; КУ202Е - кремнієвий тринистор . Перша буква «К» позна -
чає матеріал кремній. Друга - тип приладу - динистор або тринистор . Третя група -
тризначний цифровий код , і четверта група , розшифровуються так само , як і всі рассмот -
ренние раніше напівпровідникові прилади.
4 ) Поняття про сімісторов .
Подамо позитивне напруга на області p1 , n1 , а негативне на області p2, n3 .
Перехід П1 закритий, і вимикається з роботи область n1 . Переходи П2 і П4 відкриті і ви -
полняют функцію емітерний переходів . Перехід П3 закритий і виконує функцію колектив-
торного переходу .
Таким чином , структура симистора представлятиме собою області p1 , n2 , p2, n3 , де p1
буде виконувати функції анода , а n3 - катода при прямому включенні. подамо напруга
плюсом на області p2, n3 , а мінусом на області p1 , n1 . Перехід П4 закриється і вимкне з
роботи область n3 . Переходи П1 і П3 відкриються і будуть грати роль емітерний переходів .
Перехід П2 закриється і буде виконувати функцію колекторного переходу .
Структура симистора буде мати вигляд p2- n2 , p1 - n1 , де область p2, буде анодом , а
n1 - катодом. У результаті буде виходити структура в прямому включенні , але при зворотному
напрузі. ВАХ буде мати вигляд , зображений на Рис. 121 .
Електровакуумні прилади
Електровакуумний діод
1 ) Електровакуумний діод , пристрій і принцип дії електроваку -
розумного діода
2 ) ВАХ та основні параметри електровакуумного діода
1 ) Електровакуумний діод , пристрій і принцип дії електроваку -
розумного діода. Електровакуумними приладами називаються електронні прилади , принцип
дії яких заснований на русі електронів у вакуумі при роботі в різних елек -
тричних полях. Принцип дії всіх електровакуумних приладів заснований на явищі
електронної емісії .
Термоелектронна емісія .
Автоелектронна (або « холодна» ) емісія - це емісія під впливом сильних
електричних полів.
Фотоелектронна емісія .
Вторинна емісія
Якщо електрон володіє достатньою швидкістю і кінетичної енергією і вдаряється при
цьому в поверхню матеріалу , він віддає свою енергію електронам матеріалу , які вильоту -
тануть з його поверхні. Причому кожен ударяющий електрон , який називають первинним
електроном , може « вибивати» з поверхні матеріалу кілька вторинних електронів.
Вакуумний діод має два основних електроди - катод і анод. Катод - це електрод , з кото-
рого відбувається термоелектронна емісія . Катоди бувають двох видів - з прямим і косвен -
вим напруженням . Катоди з непрямим напруженням зазвичай виконуються у вигляді трубки , усередині кото-
рій розташована спіраль , звана ниткою напруження . На неї подається напруга напруження , вона
розігріває катод для отримання термоелектродного емісії . Катоди прямого напруження - це ка -
тоди , у яких напруга напруження подається безпосередньо на катод .
Анод - це електрод , що знаходиться зазвичай під позитивним потенціалом , до якого
прагнуть електрони , що вилетіли з катода .
Принцип дії .
При подачі на анод позитивного напруги між катодом і анодом створюється прискорюю -
щее електричне поле для електронів , що вилітають з катода . Вони прилітають до анода , і че-
рез діод протікає прямий струм анода Ia. При подачі на анод негативної напруги відно-
сительно катода для електронів , що вилітають з катода , утворюється гальмуючий електричного
ське поле , вони будуть притискатися до катода і струм анода буде дорівнює нулю. Відмінність електрових -
куумних діодів від напівпровідникових полягає в тому , що зворотний струм у них повно -
стю відсутня.
2 ) ВАХ та основні параметри електровакуумного діода. ВАХ електровакуум -
ного діода зображена на Рис. 124 .
Нелінійний ділянку. Ток повільно зростає , що пояснюється протидією
полю анода об'ємного негативного електричного заряду , який утворюється
електронами , що вилітають з катода за рахунок емісії.
Лінійний ділянку. При досить сильному електричному полі анода об'ємний елек -
тріческое заряд зменшується і не має значного впливу на поле анода .
Ділянка насичення. Зростання струму при збільшенні напруги сповільнюється , а потім повно -
стю припиняється т. к. всі електрони , що вилітають з катода , досягають анода .
ВАХ анода прямо пропорційно залежить від напруги напруження ( дивіться Рис . 125).
Основні параметри діода.
Крутизна ВАХ .
Внутрішній опір
Максимально допустима зворотна напруга
Максимально допустима розсіює потужність
Pa.max = Ia.max ∙ Ua.max
Система маркування .
6 Д 20 П
1 2 3 4
Маркування являє собою систему позначень , яка містить чотири елементи :
1 . Напруга напруження , округлене до цілого числа.
2 . Тип електровакуумного приладу . Для діодів :
Д - одинарний діод .
X - подвійний діод , тобто містить два діоди в одному корпусі із загальним напруженням .
C - високовольтний діод або кенотрон .
3 . Порядковий номер розробки ЕВП .
4 . Конструктивне виконання .
1 ] С - скляний балон з пластмасовим цоколем (дуже старе виконання , не менше
ніж 24 мм - діаметр балона ) .
2 ] П - пальчикові лампи (скляний балон діаметром 19 або 22,5 мм з жорсткими
штирові висновками без цоколя ) .
3 ] Б - мініатюрна серія з гнучкими висновками і з діаметром корпусу менше 10мм .
4 ] А - мініатюрна серія з гнучкими висновками і з діаметром корпусу менш 6мм.
5 ] К - серія ламп в керамічному корпусі.
6 ] - четвертий елемент відсутній ( 6К4 ) - це говорить про відсутність металевого
корпусу.
Триод
1 ) Пристрій і принцип дії тріода
2 ) ВАХ та основні параметри тріода
1 ) Пристрій і принцип дії тріода . Тріодом називається електровакуумний
прилад , у якого крім анода і катода мається третій електрод , який називається сет-
кою.
Сітка в тріоді має вигляд спіралі і розташовується між анодом і катодом , ближче до катода .
УДО тріода зображено на Рис. 127 .
Розглянемо вплив сітки на роботу тріода .
1 ) Uc = 0 ; Ia1 > 0.
При напрузі на сітці , що дорівнює нулю , сітка не робить впливу на поле анода , і в
ланцюзі анода протікатиме струм.
2 ) Uc > 0 ; Ia2 > Ia1 ; Ic > 0.
При позитивних напругах на сітці між нею і катодом виникає поле сітки , лінії
напруженості якого спрямовані так само, як і у анода . Результуюче дію поля на
електрони посилюється , і струм анода зростає. Позитивно заряджена сітка перехоплюючи -
ет частина електронів , за рахунок чого виникає струм сітки Ic .
3 ) Uc < 0 ; Ia3 < Ia1 .
При подачі негативної напруги на сітку поле сітки протидіятиме полю
анода , за рахунок чого анодний струм зменшується.
4 ) Uc << 0 ; Ia4 = 0 .
Переводчик Google для бизнеса –Инструменты переводчикаПереводчик сайтовСлужба "Анализ рынков"
Отключить моментальный переводО Переводчике GoogleМобильная версияКонфиденциальностьСправкаОтправить отзыв
При досить великих негативних напругах на сітці між катодом і сіткою со-
здается настільки сильне гальмуючий електричне поле , що електрони , що вилітають з ка -
тода , будуть притискатися знову до катода і струм анода буде дорівнює нулю.
Напруга на сітці , при якому Ia стає рівним нулю , називається напругою
замикання або напругою відсічення .
Висновок: змінюючи напругу на сітці , можна управляти струмом анода , і тому сітка в тріоді
отримала назву керуючої .
Система маркування триодов аналогічна системі маркування електровакуумних діодів.
Певна буква у 2 групі показує , що даний прилад тріод . Буква C - одинарний
тріод , H - подвійний тріод .
2 ) ВАХ та основні параметри тріода .
Анодносеточная характеристика . Ia = f ( Uc ) при Ua = Const .
Анодна характеристика . Це залежність струму анода від напруги анода при посто -
янном напрузі на сітці .
4 . Проникність тріода .
Так як електроди тріода виконуються з металу , а між ними - вакуум , то в тріоді обра-
зуются три міжелектродні ємності. Вхідний сигнал на тріод подається між сіткою і като -
будинок , а вихідний сигнал знімається між анодом і катодом. Тому ємність сітка- катод на -
зиваєтся вхідний ємністю , ємність сітка- анод називається прохідний ємністю , так як
безпосередньо пов'язує вхід з виходом , ємність анод - катод називається вихідний ємністю. ці
ємності впливають на частотні властивості тріода . Найбільш сильний вплив робить прохід -
ная ємність.
Тетрод
1 ) Пристрій і схема включення тетрода
2 ) динатронного ефект
3 ) Променевий тетрод
1 ) Пристрій і схема включення тетрода . Одним з основних недоліків тріода
є невеликий коефіцієнт посилення ( зазвичай μ ≤ 30).
Для збільшення коефіцієнта посилення треба послабити вплив поля анода на катод порівня -
рівняно з впливом поля сітки. З цією метою між керуючою сіткою і анодом була введе-
на другому сітка , яка отримала назву екранної сітки.
Електровакуумний прилад, що складається з катода , анода і двох сіток , називається тетродом .
УДО тетрода зображено на малюнку 135 .
На екранну сітку подається строго постійне позитивне напруга , рівне 0,6 ÷ 0,8
напруги анода .
Uc2 = ( 0,6 ÷ 0,8 ) Ea
Схема включення тетрода показана на малюнку 136 .
Ra - опір анодного навантаження для забезпечення динамічного режиму роботи тетра-
да.
Rc2 - опір екранної сітки , яка разом з ділянкою екранна сітка- катод перед-
ставлять собою дільник напруги на екранній сітці ( Uc2 = ( 0,6 ÷ 0,8 ) Ea ) .
Cc2 - це конденсатор великої ємності , через який замикається на загальний провід пере-
менная складова струму екранної сітки.
2 ) динатронного ефект. Розглянемо залежність струмів екранної сітки Ia від напруги-
ня на аноді . Ic2 = f ( Ua ) ; Ia = f ( Ua ) .
При напрузі на аноді , що дорівнює нулю , всі електрони , що вилітають з катода , перехоплюючи -
ються екранною сіткою . Струм екранної сітки буде максимальний , а струм анода - дорівнює нулю.
При збільшенні напруги на аноді електрони починають досягати анода , за рахунок чого струм
анода збільшується , а струм екранної сітки зменшується.
При певній напрузі Ua ` швидкість електронів , а , значить, і їх кінетична енер-
гія досягають величини, достатньої для вторинної емісії з анода . Але т. к. напруга на
аноді при цьому менше , ніж на екранній сітці , вторинні електрони , що вилітають з катода ,
будуть притягатися до екранної сітці , за рахунок чого струм екранної сітки збільшується , а струм
анода зменшується.
При напрузі Ua `` , яке більше , ніж напруга на екранній сітці , вторинні елек -
трони повертаються в анод , струм анода збільшується , а струм анодної сітки Ic2 зменшується. У
результаті цього , на анодній характеристиці утворюється провал.
Провал анодної характеристики в результаті вторинної емісії з анода називається дина -
тронним ефектом.
Внаслідок динатронного ефекту відбувається сильне спотворення підсилюється сигналу . за
рахунок введення екранної сітки в тетроді коефіцієнт посилення збільшується до декількох
сотень. Екранна сітка зменшила прохідну ємність , що значно поліпшило частотні
властивості тетрода , але за рахунок спотворення форми сигналу тетроди застосовуються дуже рідко.
Від динатронного ефекту можна позбутися двома шляхами.
1 шлях . Створити між екранною сіткою і анодом велику щільність електронного потоку ,
щоб вийшов об'ємний негативний заряд перешкоджав вторинним електронам
потрапляти на екранну сітку.
2 шлях . Ввести між екранною сіткою і анодом третього , додаткову сітку з нульовим по-
потенціалом .
Перший шлях застосовується в променевих тетродах , другий - в пентодах .
3 ) Променевий тетрод . Принцип дії променевого тетрода заснований на тому , що електрони від
катода до анода пролітають у вигляді вузьких променів з високою щільністю електронного потоку .
На малюнку 139 зображено розріз тетрода , а на малюнку 140 - розріз променевого тетрода .
На малюнку 140 промінеутворюючі пластина є екраном і знаходиться під напругою ка -
тода . За рахунок цих пластин електрони до анода летять у вигляді променів , щільність потоку збільшуючи-
ється , і динатронний ефект практично усувається. На малюнку 142 зображено УДО промене-
вого тетрода .
Пентод
Пентодом називається електровакуумний прилад з трьома сітками : керуючої , екранної і
антидинатронной . Антидинатронна (захисна ) сітка розташовується між екранною сіткою і
анодом і з'єднується з катодом , тобто знаходиться під нульовим потенціалом.
Принцип дії .
Захисна сітка перехоплює лінії напруженості поля екранної сітки , які направле -
ни до анода , за рахунок чого між анодом і захисною сіткою створюється гальмує полі для вто -
ковий електронів , що вилітають з анода . Вони повертаються , і динатронний ефект повно -
стю усувається.
Захисна сітка ще сильніше послабила вплив поля анода на катод , що дозволило збільшити
коефіцієнт посилення до кількох тисяч. У пентодах захисна сітка зменшила прохід -
ную ємність , що ще більш поліпшило частотні властивості .
Маркування .
6 Ж 1 П
1 2 3 4
Система маркування пентодов аналогічна системі маркування електровакуумних діодів.
Певна буква у 2 групі показує , що даний прилад із себе представляє. буква
Ж - високочастотний пентод , П - потужні вихідні пентоди і променеві тетроди , К - ПЕНТА-
ди з подовженою анодно - сіткової характеристикою .
Крім розглянутих вище приладів , існують многосеточние лампи з 4 , 5 і 6 сітками.
Буква A , наприклад , у другій групі показує , що перед нами гексод . Ці лампи є
частотопреобразовательными .
Крім многосеточних , існують комбіновані лампи , наприклад , діод - тріод ( буква
Г) , діод - пентод (другий елемент - буква Б) , тріод - пентод (другий елемент - буква Ф) .
Цифрова мікросхемотехніка
Основи мікроелектроніки
1 ) Класифікація та УДО інтегральних мікросхем (ІМС) .
2 ) Елементи й компоненти гібридних ІМС ( ГІС).
3 ) Елементи й компоненти напівпровідникових ІМС .
1 ) Класифікація та УДО інтегральних мікросхем .
ІМС - мікроелектронний пристрій, що виконує функції цілої електричної схеми та
виконане як єдине ціле.
Класифікують ІМС за такими ознаками:
1 . За технологією виготовлення :
Плівкові - це ІМС , у яких всі елементи виконані у вигляді тонких плівок ,
нанесених на діелектричне підставу , тобто підкладку.
Гібридні (ГІС ) - це ІМС , у яких пасивні елементи виконані по тонко -
плівкової технології , а активні елементи виконані як окремі , навісні ,
безкорпусні .
Напівпровідникові ІМС - це мікросхеми , у яких всі елементи « вирощені »
в кристалі напівпровідника .
2 . За способом перетворення і обробки інформації є два види ІМС :
Аналогові ІМС - з безперервною обробкою інформації ( дивіться процес , за -
печатленний , на малюнку 145 ) ;
Цифрові ІМС - з дискретною обробкою інформації ( дивіться малюнок 146).
3 . За ступенем інтеграції :
К = lg N
N - кількість елементів в одному корпусі мікросхеми.
Система позначень ІМС .
1 - серія ІМС . В одну серію об'єднуються ІМС , розроблені на основі єдиних схемо -
технічних рішень і виконані за однією технологією . Перша цифра серії - технологи -
чний ознака ІМС :
1 , 5 , 7 , 8 - напівпровідникові ІМС ;
2 , 4 , 6 , 8 - гібридні ІМС ;
3 - всі інші .
2 - група ІМС за функціональним призначенням:
У - підсилювачі
Г - генератори
А - формувачі сигналів
Е - вторинні джерела живлення ( ВІП )
Х - багатофункціональні схеми
Л - логічні схеми
Т - тригери
І - схеми цифрових пристроїв
В - схеми обчислювальних пристроїв і мікро ЕОМ
Р - елементи пам'яті
3 - підгрупа , уточнююча функціональний ознака . У ній позначення можуть записуватися
так : УН , УВ , УН , УТ , УД . УН , наприклад , позначає « підсилювач низькочастотний ».
4 - вид ІМС за своїми електричними параметрами ( для аналогових ІМС ) або ж подальше
уточнення функцій ( для цифрових ІМС) .
К155ЛА3 - 4 елементи 2І- НЕ . КР , КМ - різновид корпусу , з чого зроблений .
2 ) Елементи й компоненти ГІС. Одним з основних елементів ГІС є
підкладка з склокерамічного матеріалу. Форма завжди прямокутна. До підкладці
пред'являються високі вимоги по чистоті обробки поверхні , по хімічній стій -
кістки та електричної міцності.
Контактні майданчики і сполучні провідники.
Контактні майданчики призначені для забезпечення електричного контакту між
плівковими елементами і сполучними провідниками , а також між плівковими і на -
підвісними елементами .
Контактні майданчики найчастіше виготовляються з алюмінію , потім мідь , рідше срібло ,
золото. Для поліпшення адгезії ( прилипання ) між провідником ( контактною площадкою ) і
підкладкою їх напилюють на подслой з нікелю .
Плівкові резистори мають прямокутну форму ( дивіться малюнки 148 , 149).
При необхідності отримати більшу величину опору допускається їх виготовляти
у вигляді меандру . Матеріалами для виготовлення резисторів служить нікель , ніхром , метало-
кераміка.
Плівкові конденсатори являють собою плівкову тришарову структуру , між ко-
торимі наноситься діелектрична плівка. Для обкладок застосовують алюміній , мідь , рідше
срібло , золото. У вигляді діелектрика наноситься окис кремнію ( SiO2 ; SiO ) , моноокись Герма -
ня ( GeO ) , окис танталу ( Ta2O5 ) . Не рекомендується , але допускається для отримання великих
ємностей напилювати багатошарові конденсатори.
Дуже рідко застосовуються плівкові котушки індуктивності ( дивіться малюнок 150).
Навісні елементи - діоди і транзистори можуть бути з гнучкими або жорсткими висновками.
Застосування навісних елементів з жорсткими висновками ускладнює процес проектування
інтегральних мікросхем . Але жорсткі висновки дозволяють автоматизувати процес складання.
3 ) Елементи й компоненти напівпровідникових ІМС . Основою полупроводни -
кової ІМС є підкладка з кремнію зазвичай p - типу провідності . В основі изготовле -
ня напівпровідникових ІМС лежить дифузійно - планарная або епітаксільно - планарная
технологія . Обидва ці методу передбачають створення всередині напівпровідника (тобто в
підкладці) острівців з шарами, що чергуються p - і n - типу провідності ( дивіться рис. 151 ,
152).
Булева алгебра
Найпростіші логічні функції і логічні елементи
1 ) Логічні функції та їх реалізація .
2 ) Схемотехніка найпростіших логічних елементів .
3 ) Характеристики і параметри цифрових ІМС .
1 ) Логічні функції та їх реалізація .
1 . Логічне заперечення (або інверсія ) . Записується ця функція так : y x . Дана функ-
ція реалізується логічним елементом , який називається інвертором або ж еле -
тому НЕ ( дивіться рис. 153).
Кожний логічний елемент характеризується таблицею станів на вході і виході , яку
називають таблицею істинності . Таблиця істинності для елемента НЕ зображена на малюнку
154 .
2 . Друга наша логічна функція називається диз'юнкцією , або логічним складанням .
y = x1 v x2 v... v xn . Елемент , що реалізує функцію диз'юнкції , називається АБО ( дивіться
рис. 155 , 156).
3 . Кон'юнкція , або логічне множення . Елемент , що реалізує функцію кон'юнкції ,
Елементи НЕ , АБО , І являють собою функціонально повний набір логічних еле -
ментів . Тільки за допомогою цих елементів можна виконати будь-яку як завгодно складну
функцію.
4 . Елемент Пірса . Цей елемент , який реалізує функцію заперечення диз'юнкції , називається
5 . Елемент Шеффера . Цей елемент , який реалізує функцію заперечення кон'юнкції , називаючи-
ється І - НЕ ( дивіться рис. 161 , 162). y x1 x2 .
6 . Виключає АБО - це елемент АБО , що виключає два однакових стану на
вході ( дивіться малюнки 163 , 164).
Маркування логічних елементів . Друга і третя групи в позначенні цифрових ІМС
показують який логічний елемент перед нами. наприклад:
НЕ ЛН
АБО ЛЛ
І ЧИ
АБО -НЕ ЛЄ
І -НЕ ЛА
= 1 ЛП
Слід зауважити , що окремі логічні елементи в мікросхемном виконанні в настою -
щее час не випускаються.
2 ) Схемотехніка найпростіших логічних елементів .
1 . Елемент НЕ ( дивіться малюнки 166 - 168). У загальному випадку представляє транзистор -
ний ключ на польовому або біполярному транзисторі .
2 . Елемент АБО . У простому випадку реалізується на напівпровідникових діодах ( смот -
ріте малюнок 169). Необхідною умовою для роботи є : 1 ) Uвх1 > Uип ; 2 ) R >>
Ri.пр.
3 . Схема І. Елементи І -НЕ і АБО -НЕ реалізуються підключенням на вихід диодной
матриці транзисторного інвертора. R >> Rпр .
4 . Виключає АБО .
База кожного з вхідних транзисторів VT1 , VT2 з'єднана з емітером іншого транзистора.
На транзисторі VT3 зібраний інвертор , або транзисторний ключ.
3 ) Характеристики і параметри цифрових ІМС .
До характеристик цифрових ІМС належать:
Вхідні характеристики ( дивіться малюнок 176) - це залежність вхідного струму Iвх
ІМС від величини вхідної напруги . Iвх = f (Uвх ) .
Крива 1 - для ІМС , у яких вхідний струм максимальний при логічному нулі на вході.
Крива 2 - це характеристика ІМС , у яких вхідний струм максимальний при логічної оди-
ниці на вході.
Передавальні характеристики . Це залежність вихідної напруги ІМС від вхід -
ного ( дивіться малюнок 177).
Крива 1 - для ІМС з інверсією .
Крива 2 - для ІМС без інверсії.
Параметри ІМС .
Параметри ІМС поділяються на дві групи - статичні і динамічні .
1 ] Статичні параметри характеризують роботу ІМС при статичних 0 або 1 на вході і ви -
ході .
До статичних параметрів належать :
1 . Напруга джерела живлення Uип .
2 . Вхідні і вихідні напруги логічного нуля і логічної одиниці: Uвх0 , Uвх1 ,
Uвих0 , Uвих1 .
3 . Вхідні і вихідні струми логічного нуля і логічної одиниці: Iвх0 , Iвх1 , Iвих0 ,
Iвих1 .
4 . Коефіцієнт розгалуження показує кількість входів мікросхем навантажень , кото-
рие можна підключити до даної мікросхемі без втрати її працездатності ( харак-
теризует здатність навантаження ІМС) : Кр.
5 . Коефіцієнт об'єднання по входу Коб показує , кількість входів мікросхеми ,
за якими реалізується виконувана нею функція .
6 . Напруга статичної перешкоди - це максимально допустима статичне напруги-
ня на вході , при якому мікросхема не втрачає свій працездатності. характери-
зует завадостійкість ІМС . Позначення : Uст.п.
7 . Середня споживана потужність від джерела живлення Pпот.ср.
2 ] Динамічні характеристики . Вони характеризують роботу ІМС в момент перемикання з
нуля в одиницю або з одиниці в нуль.
1 . Час перемикання з логічного нуля в логічну одиницю t01 - це час , за ко -
торое напруга на вході або виході зростає від 0,1 до 0,9 рівня логічної оди-
Ниці ( дивіться малюнок 178).
2 . Час перемикання з логічної одиниці в логічний нуль t10 .
3 . Час затримки поширення сигналу при перемиканні з нуля в одиницю .
Позначення : t01зад .
4 . Час затримки поширення сигналу при перемиканні з логічної одиниці в
логічний нуль . Позначення : t10зад .
5 . Середній час затримки поширення сигналу , характеризує швидкодію
ІМС . Позначення : tзад.ср.
Транзисторних- транзисторна логіка
1 ) Основні типи логіки і поняття про многоеміттерного транзисторі .
2 ) Транзисторно - транзисторна логіка ( ТТЛ ) з простим інвертором .
3 ) ТТЛ зі складним інвертором .
1 ) Основні типи логіки і поняття про многоеміттерного транзисторі . суще-
ствует багато різновидів логіки:
ТЛНС - транзисторна логіка з безпосередніми зв'язками .
РТЛ - Резисторно - транзисторна логіка.
РЕТЛ - Резисторно - емкостная транзисторна логіка.
ДТЛ - діод- транзисторна логіка.
До основного типу логіки відносять ТТЛ. різновиди:
ТТЛШ - транзисторних- транзисторна логіка з переходами Шоттки .
ЕСЛ - емітерний- зв'язкова логіка.
КМОП - логіка на польових МОП - транзисторах , що складається з комплементарних пар.
У ТТЛ операцію «І » виконує многоеміттерного транзистор , в якому функції діодів
VD1 і VD2 виконують емітерний переходи транзистора , а функції діодів VD3 , VD4 ви -
полняет колекторний перехід транзистора ( дивіться малюнок 179).
Структура многоеміттерного транзистора показана на малюнку 180 , а УДО - на 181 .
2 ) Транзисторно - транзисторна логіка з простим інвертором .
Принцип дії .
Якщо хоча б на один з входів подаватиметься сигнал логічного нуля , відповідний
емітерний перехід транзистора VT1 буде відкритий , і через нього буде протікати струм від плю -
са джерела живлення ( ІП) , через резистор R1 , база- емітер VT1 , загальний провід , мінус источ -
ника харчування. У ланцюзі колектора VT1 , а отже , і в ланцюзі бази VT2 , струм буде відсутність про-
ствовать , транзистор VT2 буде знаходитися в режимі відсічення , на виході буде високий уро-
вень напруги логічної одиниці. При подачі на обидва входи логічних одиниць обидва Еміт-
Терни переходу закриваються, і струм буде протікати по ланцюгу від плюса ІП , через R1 , база-
колектор VT1 і на базу VT2. Транзистор VT2 перейде в режим насичення і на виході уста -
новится низький рівень напруги логічного нуля .
Недоліком ТТЛ з простим інвертором є маленький коефіцієнт розгалуження .
3 ) ТТЛ зі складним інвертором .
Якщо хоча б на одному з входів буде діяти логічний нуль , відповідний Еміт-
терний перехід буде відкритий, і через нього буде протікати струм по ланцюгу від плюса ІП , через
R1 , база- емітер VT1 , загальний провід , мінус ВП. У ланцюзі колектора VT1 , а отже, і в
ланцюзі бази VT2 струм буде відсутня , VT2 буде знаходитися в режимі відсічення , струм через
транзистор VT2 , а значить , струм бази VT4 будуть близькі до нуля. Транзистор VT4 також буде на -
ходиться в режимі відсічення , і на виході буде високий рівень напруги логічної оди-
Ниці . При цьому напруга на колекторі VT2 і на базі VT3 , буде максимальним , і VT3
перебуватиме в повністю відкритому стані.
При подачі на обидва входи логічних одиниць обидва емітерний переходу закриваються , і струм бу -
дет протікати по ланцюгу від плюса ІП , через R1 , перехід база- колектор VT1 на базу VT2. тран-
зістор VT2 перейде в режим насичення. Струм через нього , а отже , і струм бази VT4 бу -
дет максимальним , і транзистор VT4 перейде в режим насичення. На виході буде низький
рівень логічного нуля . При цьому напруга на колекторі VT2 і на базі VT3 буде близ-
ко до нуля і VT3 перейде в повністю закритий стан . Діод VD1 застосовується для більш
надійного запирання транзистора VT3.
Логічні елементи ТТЛ
зі спеціальними висновками
1 ) ТТЛ з відкритим колектором.
2 ) ТТЛ з Z - станом.
3 ) ТТЛШ .
4 ) Оптоелектронні ІМС .
1 ) ТТЛ з відкритим колектором. Наступна схема отримала свою назву за рахунок
того , що колектор вихідного транзистора не підключений ні до однієї точки схеми . Тому
для забезпечення працездатності між виходом і плюсом ІП необхідно підключити
зовнішнє навісне опір ( дивіться малюнки 187 , 188).
ТТЛ з відкритим колектором застосовується для підключення елементів індикації ( Мініа -
Це і є Z- станом схеми .
3)ТТЛШ
До одного з недоліків ТТЛ можна віднести порівняно невисоку швидкодію . це
Маркування оптронов .
Розшифровується маркування так :
1 група - матеріал напівпровідника . Буква «А» означає арсенід галію .
2 група . Буква «О» означає , що ми маємо справу з Оптрон.
Тип оптрона по виду фотоприймача . «Д» - діодний оптрон , «У» - тиристорний .
4 група - група з електричним параметрам.
5 група - модифікація приладу в четвертій групі.
Принцип дії .
При подачі на вхід логічного нуля струм через світлодіод не протікає , світлодіод не світить -ся , і через фотодіод буде протікати дуже маленький темновой струм, якого не досить для відмикання транзистора VT1 ( дивіться малюнок 198).
При подачі на вхід логічного одиниці світлодіод запалюється , і через фотодіод буде про-тека достатньо великий світловий зворотний струм , який відкриває транзистор VT1. Залишилося частина схеми працює як базовий елемент ТТЛ.
Логічні елементи на польових транзисторах МОП- структури
1 ) Ключі на МОП- транзисторах .
2 ) Комплементарна МОП - пара ( КМОП ) .
3 ) Реалізація функції І -НЕ в КМОП - логіці.
4 ) Реалізація функції АБО -НЕ в КМОП - логіці.
1 ) Ключі на МОП- транзисторах .
Недоліком даних ключів є наявність резисторів , які займають у підкладці значно більше місця , ніж транзистор. Тому найбільш широко застосовуються ІМС , у яких замість резистора також застосовується МОП - транзистор , але з каналом іншого типу провідності . Такі взаємодоповнюючі структури отримали назву МОП - пар.
2 ) Комплементарна МОП - пара ( КМОП ) .
Якщо на затвор подати сигнал логічного нуля , то в транзисторі VT2 ( c каналом « n » типу провідності ) канал буде відсутня , а в транзисторі VT1 з каналом « p » типу канал буде индуцирован , т. к. на затворі щодо витоку буде діяти негативне напруги- ня . Через цей канал вихід Y з'єднується з плюсом ІП , і на виході буде високий рівень логічної одиниці.
При подачі на вхід логічного одиниці канал в транзисторі VT1 зникає , а в VT2 канал ін- дуціруется і через цей канал з'єднується з нульовим потенціалом загального проводу , отже, на виході буде логічний нуль .
Переваги комплементарної МОП - пари - відсутність резисторів , що дозволяє підвищити ступінь інтеграції; дуже мале споживання струму від ІП , т. к. між плюсом і мінусом ІП завжди виявляється транзистор , у якого немає каналу.
Недолік комплементарної МОП - пари: низька швидкодія .
3) Реалізація функції І -НЕ в КМОП - логіці.
Якщо хоча б на одному з входів є сигнал логічного нуля , у відповідному транзисторів з каналом p - типу - VT1 або VT2 - буде индуцирован канал , через який вихід Y з'єднується з плюсом ІП , і на виході буде логічна одиниця . При подачі на обидва входи логічних одиниць у VT1 і в VT2 канали зникають , а в транзисторах VT3 і VT4 канали інду - ціруются , і через ці канали вихід Y з'єднується із загальним проводом , отже , на ви - ході буде логічний нуль .
4 ) Реалізація функції АБО -НЕ в КМОП - логіці.
Якщо на обидва входи подані нулі , то в транзисторах VT1 і VT4 з каналами n - типу канали від - сутні , а в VT2 і VT3 канали індукуються , і через них вихід Y пов'язаний з плюсом ІП , отже , на виході логічна одиниця .
Якщо хоча б на один з входів подати логічну одиницю , то у відповідному транзит- сторі p - типу канал зникає , і вихід Y відключається від плюса ІП , а у відповідному транзисторів з каналом n - типу канал індукується , і через нього вихід Y з'єднується із загальним про- водом , отже , на виході буде логічний нуль .
Емітерний- зв'язкова логіка
1 ) Реалізація функцій АБО та АБО -НЕ в емітерний- зв'язковий логіці ( ЕСЛ ) .
2 ) Джерело опорної напруги.
3 ) Базовий елемент ЕСЛ серії К500 .
1 ) Реалізація функцій АБО та АБО -НЕ в емітерний- зв'язковий логіці ( ЕСЛ ) . ЕСЛ є самою швидкодіючої з усіх типів логіки. Це пояснюється тим , що транзистори в ЕСЛ працюють в лінійному режимі , не переходячи в режим насичення або відсікти -ки . Основою ЕСЛ є диференційний емітерний каскад , зображений на малюнку 209 .
Особливість ЕСЛ : різниця рівнів логічної одиниці і нуля дуже мала , отже , завадостійкість погана . Щоб підвищити завадостійкість , в ЕСЛ використовується схе - ма , при якій в ланцюзі колектора - з'єднання з загальним проводом , а в ланцюг емітера подає -ся мінус напруги ІП. Це призводить до того , що всі рівні напруги негативні і ЕСЛ погано узгоджуються з іншими типами логіки.
Розглянемо наступну схему ( дивіться малюнок 210 ) , в якій U0 ≈ -1,6 В; U1 ≈ -0,8 В; Uоп
≈ -1,2 В.
У даній схемі роль генератора стабільного струму ( ГСТ ) виконує джерело стабілізувати - ванного напруги U = -5,2 В разом з послідовно включеним резистором R3 доста - точно великого номіналу .
При подачі на обидва входи логічного нуля опорна напруга виявляється більш поклади- тільних , ніж на базах транзисторів VT1 і VT2 , отже , транзистор VT3 відкритий більшою мірою , ніж VT1 і VT2. Значить , струм через R2 буде більше , ніж через R1 , і напругу на Y2 (логічний нуль ) буде більш негативним , ніж на виході Y (логічна оди- ница ) .
Якщо хоч на один з входів подати логічну одиницю , то напруга на базі відповідними- ющего транзистора стає більш позитивним , ніж опорне . Цей транзистор ( VT1 або VT2 ) відкривається більшою мірою , ніж VT3. Струм через R1 буде більше , ніж через R2. Напруга на виході Y буде більш негативним , тобто логічним нулем , а напруга на виході Y2 , більш позитивним , тобто логічною одиницею .
Висновок: ЕСЛ реалізує функцію АБО -НЕ по виходу Y і функцію АБО по виходу Y2 .
2 ) Джерело опорної напруги.
Джерело опорного напруги зібраний на транзисторі VT4. Схема ця являє собою емітерний повторювач . Дільник , що складається з резисторів R5 , R6 і діодів VD1 і VD2 , забезпечує постійну напругу на базі транзистора , а отже , струм через транзит- стор також буде постійним і падіння напруги на резистори R4 буде постійним . Ця напруга і подається на базу транзістораVT3 як опорне . Діоди VD1 , VD2 призначені для температурної стабілізації роботи схеми .
3 ) Базовий елемент ЕСЛ серії К500 .
Недоліком розглянутої вище схеми є малий коефіцієнт розгалуження по ви - ходу. Для збільшення його на виході схеми включають емітерний повторювачі . В результаті ми отримали базовий елемент ЕСЛ .
Аналогові електронні пристрої Класифікація і основні технічні показники підсилювачів
1 ) Класифікація підсилювачів .
2 ) Основні технічні показники підсилювачів .
3 ) Характеристики підсилювачів .
1 ) Класифікація підсилювачів .
Пристрій, призначений для посилення електричних сигналів , називається електронним підсилювачем.
Основною класифікацією підсилювачів є класифікація за діапазоном підсилюються частот .
1 . Підсилювачі низької частоти ( УНЧ) - діапазон підсилюються частот від 10Гц до 100кГц .
2 . Підсилювачі високої частоти ( УВЧ) - діапазон підсилюються частот від 100кГц до 100М- Гц.
3 . Підсилювачі постійного струму (ППС ) . Вони можуть посилювати постійний струм. Діапазон підсилюються частот від 0Гц до 100кГц .
4 . Імпульсні підсилювачі ( ІУ ) - широкосмугові імпульсні - і видеоусилители . Ча- стотний діапазон підсилюються частот від 1кГц до 100кГц .
5 . Виборчі , або резонансні підсилювачі - це підсилювачі , що працюють у вузькому діапазоні частот.
2 ) Основні технічні показники підсилювачів .
1 . Коефіцієнт посилення .
Якщо коефіцієнт посилення недостатній, застосовуються багатокаскадні підсилювачі .
У багатокаскадних підсилювачах загальний коефіцієнт посилення дорівнює добутку коефіцієнта - ентов підсилення кожного каскаду .
2 . Вхідний і вихідний опір . Еквівалентну схему підсилювача можна предста - вити такий спосіб.
Завдання передачі максимальної енергії від джерела сигналу на вхід підсилювача , а також з виходу підсилювача на навантаження називається узгодженням. Для оптимального узгодження вхідний опір підсилювача має бути якомога більше , тобто значно більше внутрішнього опору джерела сигналу , а вихідний опір значно мен-ше опору навантаження . Питання узгодження виникають і в багатокаскадних підсилите - лях . Якщо два підсилювальних каскаду не узгоджені між собою по вхідному і вихідному опору , то між ними ставиться емітерний повторювач , що має дуже великий вхідний і мале вихідний опір.
3 . Вихідна потужність і ККД підсилювача. Вихідна потужність може бути визначена за формулою:
Значно збільшити вихідну потужність підсилювача не можна , оскільки при великому вихідному напрузі з'являються спотворення підсилюється сигналу за рахунок нелінійності характери- стик підсилюючих елементів . Тому вноситься поняття номінальної вихідної потужності. Це найбільша вихідна потужність , при якій сигнал не спотворюється .
ККД підсилювача можна визначити за такою формулою:
4 . Рівень власних шумів складається з наступних складових:
• Теплові шуми при нагріванні опорів , ємностей.
• Шуми підсилюючих елементів .
• Шум за рахунок пульсацій джерела живлення.
5 . Діапазон підсилюються частот (смуга пропускання підсилювача). Це смуга частот , у якій вихідна напруга зменшується не більше ніж до 0,7 своєї максимальної величини.
6 . Спотворення підсилювача виникають за рахунок нелінійності характеристик транзисторів. Спотворення відбуваються за рахунок появи в спектрі сигналу вищих гармонійних со-
складових , і характеризується коефіцієнтом нелінійних спотворень (або коефіцієнт гармонік ) .
3 ) Характеристики підсилювачів .
1 . Амплітудна характеристика - це залежність амплітуди вихідного сигналу від ам- амплітуди вхідного сигналу ( дивіться малюнок 216). U вих = f (Uвх ) .
2 . Динамічний діапазон:
3 . Амплітудно- частотна характеристика ( АЧХ ) являє собою залежність амплітуди вихідного сигналу від частоти при постійній амплітуді вхідного сигналу.
Uвх = f (F) при Uвх = Const .
Часто АЧХ представляють у вигляді залежності Кn =f (F) при Uвх =Const
4 . Залежність коефіцієнта підсилення від частоти характеризується коефіцієнтом ча- стотних спотворень. Коефіцієнт частотних спотворень для низьких частот визначаються-ється співвідношенням :
Коефіцієнт частотних спотворень для високих частот визначається співвідношенням :
5 . У радіотехніці часто застосовують нормовані АЧХ. Нормована АЧХ перед-ставлять собою таку залежність:
6 . Фазова характеристика - це залежність різниці фаз між вхідними та вихідними сигналами від частоти. φ = f ( F).
Харчування ланцюзі бази транзисторів і температурні стабілізація робочої точки
1) Харчування ланцюзі бази транзистора за схемою з фіксованим струмом бази.
2 ) Харчування ланцюзі бази транзистора за схемою з фіксованою напругою бази.
3 ) Температурна стабілізація ( термостабилизация ) робочої точки за допомогою терморезистора і напівпровідникового діода.
4 ) Термостабілізація робочої точки за допомогою негативного зворотного зв'язку (ООС) по постійній напрузі .
5 ) Термостабілізація робочої точки за допомогою ООС по постійному то -ку .
1) Харчування ланцюзі бази транзистора за схемою з фіксованим струмом бази. У практичних схемах включення з ОЕ і ОК джерело живлення бази Eб не застосовується , а ланцюг бази харчується від колекторного напруги Eк за допомогою додаткових елементів схе - ми . Найбільш простою є схема живлення ланцюзі бази з « фіксованим струмом бази» ( дивіться малюнок 221).
У даній схемі базова ланцюг являє собою дільник напруги ( дивіться малюнок 222 ) , що складається з Rб і опору емітерного переходу транзистора VT1 R е .
Струм бази Iб0 , що відповідає обраному положенню робочої точки , буде протікати че- рез емітерний перехід , створюючи на ньому падіння напруги Uбе , яке і є використан- вача функції джерела Eб . З другого закону Кірхгофа отримуємо :
ЄК = URб + Uбе ; ЄК = Rб ∙ Iб0 .
У символі « Iб0 » нуль відповідає робочій точці.
Недолік даної схеми : не може працювати в широкому діапазоні температур , т. к. опір емітерного переходу R е дуже сильно залежить від температури. Трохи краще працюе схема з фіксованою напругою бази.
2 ) Харчування ланцюзі бази транзистора за схемою з фіксованою напругою бази.
У даній схемі дільник напруги складається з резистора Rб `і Rб `` , включеного паралельно опору емітерного переходу R е .
Напруга Uбе знаходиться з вхідної характеристики транзистора по заданому току бази. Дана схема в діапазоні температур працює краще , ніж схема з фіксованим струмом бази , проте для нормальної її роботи необхідна температурна стабілізація .
3 ) Температурна стабілізація ( термостабилизация ) робочої точки за допомогою терморезистора і напівпровідникового діода.
При нагріванні робоча точка зміщується по навантажувальної прямої , що призводить до збільшення колекторного струму Ік і зменшенню напруги Uке ( дивіться малюнок 225). Це рівносильний -но прочинення транзистора. Тому основним завданням температурної стабілізації яв-
ляется синхронна із збільшенням температури при закриванні емітерного переходу транзит- стору температурна стабілізація за допомогою терморезистора ( дивіться малюнок 226).
При нагріванні опір терморезистора зменшується , що призводить до загального змен - шенням опору включених в паралель резисторів Rб `` і Rt. За рахунок цього напруги- ня Uбе зменшуватиметься , емітерний перехід подзапіраться , і робоча точка зберігає своє положення на навантажувальної прямої .
Аналогічним чином відбувається термостабилизация робочої точки напівпровідниковим діодом ( дивіться малюнок 227).
При збільшенні температури опір діодів в зворотному включенні буде змен - шаться за рахунок термогенерации носіїв заряду в напівпровіднику . Загальний опір включених паралельно резистора Rб `` і діода VD1 буде зменшуватися , що призведе до зменшення напруги Uбе , транзистор подзапірается і робоча точка зберігає своє по- ложение .
Недоліком схем з терморезистором і напівпровідниковим діодом є те , що і термо- резистор , і напівпровідниковий діод повинні підбиратися за своїм температурним свій - ствам для кожного конкретного транзистора. Тому найбільш часто застосовують схеми температурні стабілізації негативним зворотним зв'язком (ООС) по постійному струму і напрузі .
4 ) Термостабілізація робочої точки за допомогою негативного зворотного зв'язку (ООС) по постійній напрузі .
Застосовується цей вид термостабілізації при харчуванні ланцюзі бази з фіксованим струмом ба- зи . У цьому випадку резистор Rб підключається не до плюса ІП , а до колектора транзистора. Користуючись рівняннями Кірхгофа , отримаємо :
Uке = URб + Uбе ;
Uбе ↓ = Uке ↓ - URб так як URб = Const ;
При збільшенні температури напруга Uке зменшується. Це зменшення напруги че- рез ланцюг зворотного зв'язку (ОС) , що складається з Rб , передається на базу транзистора. Напруга Uбе зменшується. Емітерний перехід подзапірается , і робоча точка зберігає своє поло-ються .
5 ) Термостабілізація робочої точки за допомогою ООС по постійному то -ку .
Термостабілізація робочої точки за допомогою ООС по постійному струму застосовується при харчуванні ланцюзі бази за схемою з « фіксованим напругою бази». При зростанні температури збільшується струм колектора транзистора Ік , отже , і струм емітера Iе . За рахунок цього URбе буде зменшуватися.
Uбе ↑ = URб `` - URе ↑ так як URб `` = Const ;
Емітерний перехід подзапірается , і робоча точка (РТ ) зберігає своє становище. Так як зміна напруги на R е повинно залежати тільки від зміни температури і не вимірюв- няться за законом змінної складової підсилюється сигналу , резистор R е шунтируется конденсатором великої ємності , через який буде протікати змінна складова , а через R е протікатиме постійна складова струму.
Величину
ємності вибирають з умови
Зворотній зв'язок в підсилювачі
1) Види зворотного зв'язку.
2 ) Вплив ООС на основні показники підсилювача.
1) Види зворотного зв'язку. Зворотним зв'язком в підсилювачі ( в цілому ) або ж в окремо взя - тому каскаді називається такий зв'язок між входом і виходом , при якій частина енергії усі- ленного сигналу з виходу передається на вхід.
За способом свого виникнення зворотний зв'язок може бути внутрішньою , паразитної і іс - штучного .
Внутрішня ОС виникає за рахунок внутрішніх властивостей елементів схеми . Паразитна ОС мож-ника за рахунок паразитних ємностей і індуктивностей . Намагаються внутрішню паразитную зворотний зв'язок можливо сильніше зменшити .
Штучна ОС вводиться спеціально для поліпшення основних характеристик підсилювача. За ознакою петлевого посилення розрізняють позитивну ОС (ПОС ) і ООС. При ПОС сиг -нал на вхід підсилювача через ланцюг ОС надходить у фазі з вхідним сигналом. При ООС сиг -нал , проходячи ланцюг ОС , подаватиметься в протифазі з вхідним сигналом. У підсилювачах , в основному , застосовується ООС ; ПОС застосовується в генераторах .
Залежно від того , яким чином ланцюг ОС підключається до виходу підсилювача , розрізняють ОС по струму і по напрузі .
Залежно від того , яким чином ланцюг ОС підключається до виходу підсилювача , розрізняють паралельну і послідовну ОС підсилювача.
Паралельна ОС зображена на малюнку 231 , а послідовна - на малюнку 232 .
Оскільки в підсилювачах ланцюг ОС складається , в основному , з пасивних елементів , то β зазвичай менше 1 . Залежно від того , чи буде змінюватися β від частоти , розрізняють частотозавісі - мую і частотонезавісімую ОС.
2 ) Вплив ООС на основні показники підсилювача.
Розглянемо вплив ООС на роботу підсилювача на прикладі послідовної ОС по напруги- нию .
Величина ( 1 + β ∙ К) називається глибиною зворотного зв'язку.
Висновок: остання формула показує те , що ООС зменшує коефіцієнт посилення підсилю -теля .
Для позитивної ОС:
Крім того , що введення ООС зменшує коефіцієнт посилення підсилювача , всі інші технічні показники поліпшуються. Збільшується смуга пропускання , зменшуються нелінійних і частотні спотворення , дещо зростає вхідний опір .
Режими роботи підсилюючих елементів
1 ) Поняття про прохідний динамічної характеристиці.
2 ) Режим роботи класу А.
3 ) Режим роботи класу В.
4 ) Режим роботи класу АВ .
5 ) Режим роботи класу С.
6 ) Режим роботи класу D.
1 ) Поняття про прохідний динамічної характеристиці. Режими роботи підсилю -них елементів визначаються положенням робочої точки на прохідній динамічної характеристикою . Прохідний динамічною характеристикою називається залежність вихідного струму від вхідної напруги . Для транзистора , включеного за схемою з ОЕ , залежність бу - дет Ік = f ( Uбе ) . Прохідна динамічна характеристика може бути побудована за вхідний і вихідний характеристикам транзистора. Ік = f ( Uб ) .
2 ) Режим роботи класу А. У режимі роботи класу А робоча точка встановлюється на лінійній ділянці прохідний динамічної характеристики . Для цього між базою і емітте - ром транзистора за допомогою однієї з схем живлення ланцюга бази необхідно створити постійно -ную складову напруги , яка називається величиною напруги зсуву.
За відсутності змінної складової підсилюється сигналу робоча точка називається робочою точкою спокою.
Розглянемо малюнок 236 . До моменту часу t1 змінна складова вхідного сигналу відсутня , і під дією величини Eсм в колекторної ланцюга транзистора протікатиме постійна складова колекторного струму , яка називається струмом спокою .
Режим роботи класу А характеризується мінімальними нелінійними спотвореннями , т. к. підсилювальний елемент працює на лінійній ділянці характеристики .
Недоліком режиму класу А є низький ККД. η = (25 - 30 %).
Це пояснюється тим , що енергія від джерела живлення затрачається не тільки на посилення змінної складової , але і на створення постійної складової Iо , яка є марною і надалі відсіюється розділовим конденсатором.
Режим класу А застосовується , в основному , в попередніх каскадах посилення .
3 ) Режим роботи класу В. У режимі класу В робоча точка вибирається таким чином , щоб струм спокою дорівнював нулю ( дивіться малюнок 237).
Режим роботи класу В характеризується кутом відсічення Θ .
Кутом відсічення називається половина тієї частини періоду , за яку у вихідний ланцюзі протікатиме струм.
Для режиму класу В кут відсічення Θ = 90 °. Характеризується режим класу В високим ККД η = 60 ÷ 70 %. Недоліком режиму класу В є великі нелінійні спотворення. Применя -ється режим класу В у вихідних двотактних підсилювачах потужності.
4 ) Режим роботи класу АВ . Іноді положення точки спокою в режимі класу АВ вибирається на нижньому згині прохідний динамічної характеристики ( дивіться малюнок 238).
У цьому випадку буде мати місце струм спокою , але величина його буде значно менше , ніж в режимі класу А. Кут відсічення Θ в режимі класу АВ буде менше 90 °. Режим класу АВ має дещо менший ККД , ніж режим класу В ( η = 50 ÷ 60 %) і дещо менші нелінійні спотворення. Застосовується так само , як і режим класу В, в двотактних підсилювачах потужності.
5 ) Режим роботи класу С. Це режим , при якому величина Eсм має від'ємне значення ( дивіться малюнок 239).
Режим класу С характеризується максимальним ККД η = 80 % , а й найбільшими нелінійні -ми спотвореннями. Режим С в підсилювачах застосовується у вихідних каскадах потужних передат - чиков .
6 ) Режим роботи класу D. Режим роботи класу D - це ключовий режим роботи транзистора
Міжкаскадні зв'язку в підсилювачах
1) Види межкаскадних зв'язків.
2 ) Еквівалентна схема підсилювального каскаду з Резисторно - ємнісними зв'язками .
3 ) Аналіз еквівалентної схеми на низьких , середніх і високих частотах.
1) Види межкаскадних зв'язків. Для збільшення коефіцієнта посилення можуть застосовуватися багатокаскадні підсилювачі . У цьому випадку між каскадами , а також між входом підсилювача і джерелом сигналу або ж між виходом підсилювача і навантаженням можуть суще- ствовать наступні види межкаскадних зв'язків.
1 ) Резисторно - місткість зв'язок ( дивіться малюнок 240).
Резисторно - місткість зв'язок є найбільш широко поширеною в підсилювачах пере -менного напруги.
2 ) Трансформаторна зв'язок ( дивіться малюнок 241).
Трансформаторна зв'язок дозволяє здійснити оптимальне узгодження між каскадами шляхом підбору коефіцієнта трансформації трансформатора.
недоліки:
• Порівняно великі габарити і вага трансформаторів .
• Великі частотні спотворення , так як опору обмоток трансформатора залежать від частоти XL = ω ∙ L , тому трансформаторна зв'язок застосовується на низьких частотах і у вузькому діапазоні .
3 ) Гальванічна ( безпосередня ) зв'язок ( дивіться малюнок 242).
Гальванічна зв'язок застосовується в УПТ .
2 ) Еквівалентна схема підсилювального каскаду з Резисторно - ємнісними зв'язками .
Rб - це Rб ' і Rб " , включені паралельно , т. к. Rб ' через малий опір Eк можна вважати підключеним на корпус (загальний провід) .
де Свх.сл. - Це ємність наступного каскаду , а См - ємність монтажу.
3 ) Аналіз еквівалентної схеми на низьких , середніх і високих частотах. Проаналізуємо еквівалентну схему на низьких , середніх і високих частотах. На низьких ча- Стота ємнісний опір паралельно включених Cк і Cо матиме дуже велику величину і на роботу схеми впливати не буде. Се має велику величину , отже, ємнісний опір її буде дуже мало. Вже на низьких частотах ця ємність шунтирует опір R е і , значить , на низькій частоті схема підсилювального каскаду буде мати вигляд , зображений на малюнку 245 .
Розділові конденсатори включені послідовно . На НЧ опір їх буде ве - лико , що призводить до зменшення коефіцієнта посилення .
На середніх частотах опір розділових конденсаторів зменшується до такої ве - личини , що їх вплив можна не враховувати. А опір ємностей Ск і Co зменшують -ся не так на стільки , щоб надавати шунтуючі дію , і тому їх на середніх частотах їх також можна не враховувати , тому на середніх частотах еквівалентна схема буде мати вигляд , зображений на малюнку 246 . Так як на Ср.Ч ні бар'єрна ємність колекторного переходу Ск , ні Зі не роблять вплив на роботу підсилювача , то коефіцієнт підсилення на середніх частотах буде найбільшим.
На ВЧ розділові конденсатори мають дуже малий опір і , так як вони вклю - чени послідовно , вони не впливають на роботу схеми підсилювача , а ємності Ск і Co , включені в паралель , шунтируют колекторний перехід транзистора і вихід підсилю -теля своїм малим опором , що призводить до зменшення коефіцієнта посилення . Ек - еквівалентної схема підсилювача на високій частоті зображена на малюнку 247 .
На малюнку 248 показано , як впливає на коефіцієнт підсилення підсилювача зміна частоти .
K .
Вихідні каскади посилення
1 ) Однотактний вихідний трансформаторний каскад
2 ) Двотактний вихідний трансформаторний каскад
3 ) Двотактний вихідний безтрансформаторний каскад
1 ) Однотактний вихідний трансформаторний каскад. Однотактний вихідний трансформаторний каскад працює в режимі класу А. У вигляді колекторної навантаження він име- ет первинну обмотку трансформатора ( дивіться малюнок 249).
Вихідні каскади посилення є підсилювачами потужності. Застосування узгоджувальних трансформаторів дозволяє здійснювати оптимальне узгодження виходу підсилювача з на - грузкой . У цьому випадку можна вважати , що P1 = P2 , де Р1 - потужність первинної обмотки , а Р2 - потужність вторинної обмотки , або , що те ж саме , потужність навантаження .
Розділимо обидві частини останнього рівняння на U12 . отримаємо :
’
На малюнку 250 площа АВС являє собою потужність , що віддається підсилювачем в на - грузку .
З урахуванням ККД трансформатора , потужність Р , що віддається в навантаження , буде дорівнює η = 60 ÷ 70 %. Застосовуються однотактні вихідні каскади для посилення невеликих потужностей .
Недоліками є всі недоліки трансформаторної межкаскадной зв'язку .
2 ) Двотактний вихідний трансформаторний каскад. У вхідному ланцюзі включений трансформатор ТР1 з середньою точкою у вторинній обмотці. Це дозволяє отримати на базах транзисторів VT1 і VT2 два однакових за амплітудою і протилежних по фазі напруги-ня ( дивіться малюнок 251).
Двотактні підсилювальні каскади працюють в режимах класів В або АВ .
Коли на бази транзисторів подаватиметься позитивне напруга вони будуть знаходитися у відкритому стані і через них будуть протікати струми від плюса Eк , середня точка ТР2 , половина первинної обмотки ТР2 , колектор - емітерний перехід транзистора , загальний провід , мінус Eк . Отже , в первинній обмотці ТР2 струми будуть протікати від середньої точки в різні сторони , за рахунок чого магнітні потоки в осерді і що наводяться у вторинний- ної обмотці магнітні поля , а значить , і струм в навантаженні будуть відніматися .
Тобто Iн = I1 - I2 .
Струм в навантаженні буде мати подвійний розмах в порівнянні з кожним з струмів транзистора , а отже , така схема буде віддавати в навантаження подвоєну потужність в порівнянні з потужністю , що розсіюється кожним з транзисторів.
Ця схема використовується для посилення великих потужностей .
Переваги: малі нелінійні спотворення , так як в осерді відсутня постійна зі складова магнітного потоку і не відбувається насичення ; схема не чутлива до пульсу -циям напруги живлення .
Недоліки: всі недоліки трансформаторних схем - вузький діапазон частот , підвищені габарити і вага трансформатора , великі частотні спотворення.
Частково недоліки трансформаторних каскадів можна усунути , якщо на вході замість трансформатора ТР1 поставити фазоінверсного каскад ( або каскад з розділеним навантаженням ), що має два виходи ( дивіться малюнок 253).
Напруга з виходу 1 - Uвих1 - буде в протифазі з вхідною напругою , як для схе - ми з ОЕ , а напруга з виходу 2 - Uвих2 - буде у фазі з вхідною напругою , як для схеми емітерногоповторювача . Якщо при цьому опір Rк дорівнюватиме опираючись- ня R е , то і амплітуди напружень з виходів 1 і 2 будуть рівні .
3 ) Двотактний вихідний безтрансформаторний каскад. Найбільш широке поширення у вихідних підсилювачах отримали бестрансформаторних каскади на транзит- сторах різного типу провідності ( дивіться малюнок 254).
При подачі на вхід позитивної напівхвилі напруги транзистор VT1 , структури npn , буде відкритий , а транзистор VT2 , структури pnp , буде закритий, і через навантаження буде протікати струм по ланцюгу від плюса Eк1 , колектор - емітер VT1 , Rн , загальний провід , мінус Eк1 .
При негативній напівхвилі вхідної напруги транзистор VT1 закривається , а VT2 відкривається , і через нього буде протікати струм від плюса Eк2 , Rн , емітер - колектор VT2 , мі- нус Eк2 .
Таким чином , струми в навантаженні будуть відніматися , за рахунок чого в навантаженні з'явиться подвоєна амплітуда струму , отже , і подвоєна потужність .
Переваги: всі достоїнства двотактних бестрансформаторних каскадів - велика вихід -ная потужність , незалежність від пульсацій ІП , малі нелінійні спотворення. Крім того , двотактні бестрансформаторних каскади вільні від недоліків трансформаторних кас- Кадова .
Недолік даної схеми : швидкий вихід з ладу транзисторів при КЗ або перевантаженні в на-вивантаження .
Підсилювачі постійного струму з безпосередніми зв'язками
1 ) Підсилювачі постійного струму з безпосередніми зв'язками .
2 ) Диференціальний каскад УПТ .
1 ) Підсилювачі постійного струму ( УПТ ) з безпосередніми зв'язками . УПТ з безпосередніми зв'язками називають підсилювачем прямого посилення ( дивіться малюнок 255).
Однією з особливостей УПТ з безпосередніми зв'язками є те , що на вхід посліду- ющего каскаду надходить не тільки підсилюваний сигнал , а й постійна складова кіл- лекторного напруги попереднього каскаду . Тому напруга між базою і емітером подальшого каскаду буде більше , ніж напруга , відповідне обраному положенню робочої точки . Щоб уникнути цього , опір в ланцюзі емітера кожного подальші- ного каскаду вибирається бóльшим , ніж у попередньому каскаді , з тим , щоб забезпечити соот -відповідне обраному положенню робочої точки . Друга особливість - дрейф нуля .
Дрейфом нуля називається повільне зміна вихідної напруги , не залежно від напруги на вході , а що відбувається за рахунок внутрішніх процесів в схемі підсилювача.
Дрейф нуля часто оцінюється величиною дрейфу , наведеного до входу.
де К - коефіцієнт посилення підсилювача.
Uдр.вих . - Це максимальна зміна вихідної напруги при закороченном вході за встановлений час спостереження .
Значно краще з точки зору дрейфу нуля працюють диференціальні каскади зусилля-ня .
2 ) Диференціальний каскад УПТ . Диференціальним каскадом УПТ називається підсилювач різниці напруг ( дивіться малюнок 256). Rк1 = RК2 = Rк .
Транзистори VT1 і VT2 підбираються однаковими за коефіцієнтом підсилення. Резистори Rк1 і RК2 також підбираються однаковими за величиною свого опору. Уявімо , що на обидва входи подаємо однакову напругу Uвх1 = Uвх2 . У цьому випадку струми через транзистори VT1 і VT2 будуть однаковими. Сумарний струм через R е позначимо через Iо . тоді :
Уявімо , що Uвх1 > Uвх2 . На перший вхід подамо більш позитивне напруга , ніж на другий вхід . У цьому випадку транзистор VT1 відкриється більшою мірою , ніж транзит- стор VT2. Струм через транзистор VT1 збільшиться на певну величину ΔIo , а струм через VT2 зменшиться на таку ж величину ΔIo , оскільки сумарний струм постійний і дорівнює Io .
Якщо на перший вхід подаватимемо бóльшее значення напругу, ніж на другий вхід , то на виході вийде від'ємне значення напруги, тому перший вхід називається інвертується входом .
Якщо Uвх1 < Uвх2 , то U вих = +2 ∙ ΔIo ∙ Rк і тому другий вхід диференціального підсилю -теля називається неінвертірующім входом.
Основною особливістю диференціальних каскадів є те , що дрейф нуля буде зна-ве менше, ніж в УПТ прямого посилення . Це пояснюється тим , що вихідна напруги- ня дорівнює різниці колекторних напруг кожного з транзисторів , тому повільні зміни напруги за рахунок внутрішніх процесів схеми будуть взаємно знищуватися .
Операційні підсилювачі
1 ) Класифікація та основні параметри операційних підсилювачів ( ОУ) .
2 ) Схеми включення ОУ .
1 ) Класифікація і основні параметри ОУ .
Операційним підсилювачем називається пристрій , призначене для виконання мате - матических операцій з аналоговими сигналами , що має виключно високий коефіцієнт посилення , дуже великий вхідний і мале вихідний опір і виконаний -ве в мікроелектронному виконанні.
Операційний підсилювач включає до свого складу один або кілька диференціальних каскадів УПТ , генератор стабільного струму для харчування цих каскадів і вихідні емітерний повторювачі для збільшення вхідного та зменшення вихідного опору .
Приклад маркування ОУ : К553УД2 .
Вхід A - інвертується вхід . Вхід B - неінвертуючий вхід.
Входи C - для підключення двополярного ВП. Входи D - висновки для підключення ланцюгів корекції. ОУ поділяються за такими ознаками:
ОУ загального застосування Потужні ОУ
ОУ з керованими параметрами Швидкодіючі ОУ
До основних параметрів ОУ належать такі: Напруга ІП
Коефіцієнт посилення Вхідний опір
Споживаний від ІП струм або споживана потужність Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу [дБ]
Швидкість наростання вихідної напруги. Вона показує швидкодію ОУ
У технічній літературі зустрічається застаріле УДО ОУ , зображене на малюнку 259 .
Так як ОУ має дуже великий коефіцієнт посилення і досить складну схему , то при роботі на певних частотах можлива поява небажаних фазових зрушень , при -водящих до утворення позитивних ОС і , як наслідок , до самозбудження підсилювача. Для усунення цих можливостей застосовуються ланцюги корекції , що представляють различ -ні RC- ланцюжка. Ланцюги корекції можуть бути як зовнішніми , тобто за допомогою навісних елементів , так і внутрішніми , тобто всередині корпусу мікросхеми. Причому ланцюга корекції розробляються на етапі проектування ОУ і є індивідуальними для кожного конкретного типу ОУ .
2 ) Схеми включення ОУ . Оскільки на вході ОП варто диференційний каскад усі- лення , що має інвертуючий і неінвертуючий входи , то розрізняють два основних види включення - інвертуйте і не інвертується. Крім цього ОУ за рахунок високого ко- коефіцієнта посилення повинен бути охоплений глибокою ООС для забезпечення стійкості його роботи.
Инвертирующая схема включення ОУ зображена на малюнку 260 .
Чи не інвертується схема включення ОУ зображена на малюнку 262 .
Так як ОУ призначені для проведення математичних операцій з аналоговими сигналу -ми , то розрізняють підсумовуюче , інтегруюча і дифференцирующее включення ОУ .
Схема підсумовуючого включення ОУ зображена на малюнку 264 .
Схема інтегруючого включення ОУ зображена на малюнку 265 .
Схема диференціюючого включення ОУ зображена на малюнку 266 .
Оскільки ОУ з керованими параметрами мають дуже малу номенклатуру , то застосовуються ють управління таким параметром як коефіцієнт посилення за допомогою різних зовнішніх ланцюгів , причому коефіцієнт посилення може управлятися як аналоговим сигналом , так і цифровим кодом.
При подачі на один з входів логічного одиниці відповідний транзисторний ключ відкривається і в ланцюг инвертирующего входу виявляється включеною колекторна навантаження даного ключа.
Змінюючи цифровий код на входах ключів , можна до інвертується входу підключити це- лий ряд колекторних навантажень , включених в паралель і відповідно змінювати коефіцієнт підсилення схеми .
Управління коефіцієнтом посилення за допомогою аналогового сигналу можна здійснювати за допомогою польового транзистора ( дивіться малюнок 268).
У даній схемі роль опору , підключеного до інвертується входу , виконує ка -нал польового транзистора VT1. Змінюючи напругу, що управляє , можна міняти ширину ка - налу , отже , і його опір , що буде приводити до зміни коефіцієнта посилення .
Широке застосування ОУ знайшли в активних фільтрах.
На малюнку 269 приведена схема фільтра низької частоти (ФНЧ) .
На малюнку 271 приведена схема фільтра високої частоти ( ФВЧ ) .
На малюнку 273 приведена схема смугового фільтра ( ПФ).
Коефіцієнт передачі подвійного Т - образного моста на частоті fo буде мінімальним , а це означає , що опір буде максимальним. А так як подвійний Т - подібний міст стоїть в ланцюзі ООС , то коефіцієнт підсилення на частоті fo буде максимальним.
Перебудуємо дану схему так , щоб даний фільтр перетворився на режекторний .
На частоті fo коефіцієнт передачі подвійного Т - образного моста буде дорівнює нулю , слідів-вательно , опір його буде дуже велике, а так як подвійний Т - подібний міст вклю -чен послідовно з вхідним сигналом , то коефіцієнт підсилення на частоті fo буде міні- мальним .
Пристрої відображення інформації Електронно- променеві трубки
і кінескопи
1 ) Електронно- променеві трубки (ЕПТ) з електростатичним керуванням.
2 ) ЕПТ з електромагнітним керуванням.
3 ) Кінескопи .
4 ) Кольорові кінескопи .
1 ) ЕПТ з електростатичним керуванням. Електронно- променеві трубки (ЕПТ) з електростатичним управлінням , тобто з фокусуванням і відхиленням променя електричним по- лем , називаються електростатичними трубками і особливо широко застосовуються в осциллограм - фах . Конструкція . Балон трубки має циліндричну форму з розширенням у вигляді конуса або у вигляді циліндра більшого діаметра. На внутрішню поверхню основи розширено -ної частини завдано люмінесцентний екран - шар речовин , здатних випромінювати світло під удару -
ми електронів. Всередині трубки розташовані електроди, що мають висновки , в основному , на жорсткі металеві штирі цоколя. Катод виготовляють оксидним , з непрямим нака - лом , у вигляді циліндра з підігрівачем . Висновок катода іноді поєднаний з одним із виводи- дов підігрівача . Оксидний шар нанесений на денце катода . Навколо катода розташовується керуючий електрод , званий модулятором , циліндричної форми з отвором в до -нишком . Цей електрод служить для управління щільністю електронного потоку і для попере - рительное його фокусування. На модулятор подається негативна напруга в кілька десятків вольт. Чим це напруга більше , тим більше електронів повертається на катод . При певному негативному напрузі модулятора трубка закривається. Інші елек - Трод , також циліндричної форми , є анодами . У ЕПТ їх мінімум два. На другому аноді напруга буває від 500 В до декількох кіловольт (порядку 20 кВ) , а на першому аноді напруга в кілька разів менше. Усередині анодів є перегородки з отворами ( діафрагми). Під дією прискорюючого поля анодів електрони набувають зна-ве швидкість. Остаточна фокусування електронного потоку здійснюється з по- міццю неоднорідного електричного поля в просторі між анодами , а також благода -ря діафрагмам . Більш складні фокусують системи містять більше число циліндрів. Система, що складається з катода , модулятора і анодів , називається електронним прожектором ( електронною гарматою ) і служить для створення електронного променя , тобто тонкого потоку електронів , що летять з великою швидкістю від другого анода до люмінесцентному екрану. На шляху електронного променя поставлені під прямим кутом один до одного дві пари відхиляють пластин Пх і Пу . Напруга , підведене до них , створює електричне поле , що відхиляє електронний промінь у бік позитивно зарядженої пластини. Поле пластин є для електронів поперечним . У такому полі електрони рухаються по параболічних траєкторії - ям , а вийшовши з нього , далі рухаються за інерцією прямолінійно , тобто електронний промінь получа - ет кутове відхилення . Чим більше напруга на пластинах , тим сильніше відхиляється промінь і тим більше зміщується на люмінесцентному екрані світиться , так зване електронне пляма , що виникає від ударів електронів. Пластини Пу , відхиляють промінь по вертикалі , називаються пластинами вертикального відхилення , а пластини Пх - пластинами горизонталь -ного відхилення. Одна пластина кожної пари іноді з'єднується із загальним проводом. Таке включення пластин називається несиметричним . Для того щоб між другим анодом і кор - пусом не створювалося електричне поле, що впливає на політ електронів , другий анод звичайні- але також буває сполучений з корпусом. Тоді при відсутності напруги на відхиляють пластинах між ними і другим анодом не буде ніякого поля, що діє на елек - тронний промінь .
Оскільки другий анод з'єднаний з корпусом , то катод , що має високий негативний по-тенціал , рівний напрузі другого анода , повинен бути добре ізольований від корпусу. Так як на електронний промінь можуть впливати сторонні електричні й магнітні поля , то трубку часто поміщають в екрануючий чохол з м'якої сталі. Світіння люмінесцентного екрану пояснюється збудженням атомів речовини екрана. Електрони , б'ючи в екран , переда- ють свою енергію атомам екрану , в яких один з електронів переходить на більш віддалений -ную від ядра орбіту. При поверненні електрона назад , на свою орбіту , виділяється квант світлової енергії , званий фотоном , і спостерігається світіння. Це явище називається като - долюмінесценціей , а речовини , що світяться під ударами електронів , називаються катодолю - мінофорамі або просто люмінофорами . Електрони , що потрапляють на екран , можуть зарядити його негативно і створити гальмує полі , яке зменшує їх швидкість. Від цього змен - шиться яскравість світіння екрана і може взагалі припинитися потрапляння електронів на екран. Тому необхідно знімати негативний заряд з екрану. Для цього на внутрішню по -верхню балона наноситься проводить шар . Він зазвичай буває графітовим і називається аквадагом . Аквадаг з'єднується з другим анодом. Вторинні електрони , вибивані з екрану ударами первинних електронів , летять до провідному шару . Після відходу вторинних електронів потенціал екрану зазвичай близький до потенціалу проводить шару . У некот-яких трубках мається висновок від провідного шару , який можна використовувати як до - додаткового анода з більш високою напругою . При цьому електрони додатково
прискорюються після відхилення в системі відхиляють пластин , що називається послеускоре -ням . Провідний шар також виключає утворення на стінках балона негативних за - рядів від потрапляють туди електронів. Ці заряди можуть створювати додаткові поля , на - Руша нормальну роботу трубки. Якщо в трубці проводить шару немає , то вторинні електрони йдуть з екрану на відхиляють і другий анод. Харчування електронно- го прожектора здійснюється через дільник напруги.
Щоб регулювання яскравості менше впливало на фокусування , перший анод роблять без діафрагм. На нього електрони не потрапляють , тобто струм перша анода дорівнює нулю. Современ -ні електронні прожектори дають на екрані світиться пляма з діаметром менше 0,002 від діаметра екрану .
Відхилення електронного променя електростатичним методом з утворенням світиться п'ят - на на екрані пропорційно напрузі на відхиляють пластинах. Коефіцієнт про- пропорційності в цієї залежності називається чутливістю трубки. Якщо позначити відхилення плями по вертикалі через у, а напруга на пластинах y через Uy , то
у = Sy ∙ Uy ,
де Sy - чутливість трубки для пластин y .
Подібно до цього відхилення світної точки по горизонталі х = Sх ∙ Uх
Таким чином , чутливість електростатичної трубки - це відношення відхилення світної точки на екрані до відповідного відхиляється напрузі:
Sх = x / Uх і Sy = y / Uy
Чутливість ЕПТ - це відхилення світної точки при зміні на 1 В відхиляю -ного напруги. Висловлюють чутливість в міліметрах на вольт. Іноді під чув- ствительность розуміють величину , зворотну Sх або Sy , і висловлюють її в вольтах на мил- ліметр .
Попередні формули не означають , що чутливість обернено пропорційна відхиливши - ющему напрузі . Якщо збільшити в кілька разів Uy , то в стільки ж разів зросте у, а значення Sy залишиться без зміни . Отже , Sy не залежить від Uy . Чувствитель -ність буває в межах 0,1 - 1,0 мм / В. Вона залежить від режиму роботи і геометричних розмірів трубки.
2 ) ЕПТ з електромагнітним керуванням ЕПТ з електростатичним управлінням застосовуються у вигляді індикаторних (екрани радіолокаторів і гідролокаторів , дисплеї , пристрої обробки повітряної і надводної інформації).
Електромагнітні трубки мають електронну гармату , таку ж , як і електростатичні . Різниця полягає в тому , що напруга на першому аноді не змінюється , і аноди призначений- ни тільки для прискорення електронного потоку .
Фокусування
електронного променя здійснюється за
допомогою фокусирующей котушки -
Ф.К..
Фокусирующая котушка має
рядову намотування і одягається прямо
на колбу трубки. Фокус-
рующая
котушка створює магнітне поле, магнітні
силові лінії якого розташовуються
так,
як зображено на малюнку 279. Якщо
електрони рухаються по осі, то кут між
вектором
швидкості
і магнітними силовими лініями буде
дорівнює 0 (α = 0 °), отже, сила Лоренца
дорівнює нулю. Якщо електрон влітає
в магнітне під кутом, то за рахунок сили
Лоренца траекторію електрона буде
відхилятися до центру
котушки. У
результаті всі траєкторії електронів будуть
перетинатися в одній точці. Змінюючи
струм через фокусуючу котушку, можна
вимірювняти місце розташування цієї
точки. Домагаються
того, щоб ця точка перебувала в
площині
екрана. Це і є
фокусування. Відхилення
променя здійснюється за допомогою
магнітних полей, формованих двома парами
відхиляють котушок. Одна
паракотушки вертикального відхилення,
і інша - котушки горизонтального
відхилення. Котушки
мають складну форму і
розташовуються таким чином, що їх
магнітні силові лінії на осьовій лінії
будуть взаємно
перпендикулярні.
Коли
електрон пролітає між котушками і
потрапляє під вплив їх магнітних
полів,
оскільки кут між траєкторією
електрона і магнітних силових ліній
становить 90 ° (sin α =
1), то сила
Лоренца, що впливає на електрон, буде
максимальною. Під
дією цієї
сили
Лоренца електрони будуть рухатися по
дузі кола, за рахунок чого кут відхилення
і,
отже, чутливість електромагнітних
ЕПТ буде значно вище, ніж у
елек-
тростатіческіх. Все
інше - люмінофор, екран, аквадаг - все як
у електростатичних.
3)
Кінескопи. Кінескопи відносяться до
комбінованих ЕПТ, тобто вони мають
електро-
статичну фокусування і
електромагнітне відхилення променя
для збільшення чувствитель-
ності. Основною
відмінністю кінескопів від ЕЛТ є
наступне: електронна гармата кіне-
Скопів
має додатковий електрод, який називається
пришвидшує електродом. Він
розташовується
між модулятором і першим анодом, на
нього подається позитивна напря-
ження
в кілька сотень вольт щодо катода, і він
служить для додаткового при-
ренію
електронного потоку. Другою відмінністю
є те, що екран кінескопа, на відміну
від ЕПТ, тришаровий (дивіться малюнок
281).
1
шар - зовнішній шар - скло. До скла
екрану кінескопа пред'являються підвищені
тре-
бования по паралельності
стінок і по відсутності сторонніх
включень.
2 шар - це люмінофор.
3
шар - це тонка алюмінієва плівка. Ця
плівка виконує дві функції:
•
Збільшує яскравість світіння екрана,
діючи як дзеркало.
• Основна
функція полягає в захисті люмінофора
від важких іонів, які вилітають
з
катода разом з електронами.
4)
Кольорові кінескопи. Принцип дії
заснований на тому, що будь-який колір
і відтінок
можна отримати
змішуванням трьох кольорів - червоного,
синього і зеленого. Тому
кольорові
кінескопи мають три
електронних гармати і одну загальну
отклоняющую систему.Екран колір-
ного
кінескопа складається з окремих ділянок,
кожен з яких містить три осередки
лю-
мінофора, які світяться червоним,
синім і зеленим кольорами. Причому
розміри цих осередків
настільки
малі і вони розташовані настільки
близько один до одного, що їх світіння
сприйнятий-
мается оком як
сумарне. Це загальний принцип побудови
кольорових кінескопів.
У кинескопах
(взагалі) відхиляють котушки отримали
назву малої та кадрової. При
проходженні
через рядкову котушку пилообразного
імпульсу струму промінь (або промені в
кольоровому
кінескопі) прокреслюють
на екрані горизонтальну лінію, яка
називається рядком. За-
тим, під
дією імпульсу струму через кадрову
котушку, промінь зміщується на величину,
при-
близно рівну ширині одного
рядка і під дією струму рядкової котушки
прокреслені-
кість наступний
рядок, і так далі. У результаті цього
відбувається повна засвітка
екрану
кінескопа, яка називається
растр. Загальна кількість рядків
дорівнює 625.
Корисний сигнал,
оброблений схемою телевізора, надходить
на катод або модулятор кіне-
скопа,
модулюючи промінь по яскравості, за
рахунок чого і формується зображення
на екрані.
Індикатори
1)
Буквено-цифрові індикатори.
2)
Матричні індикатори.
3) Вакуумні
електролюмінесцентні індикатори.
4)
Рідкокристалічні індикатори.
1)
Буквено-цифрові індикатори. Буквено-цифрові
індикатори призначені
для
відображення інформації у вигляді цифр,
букв і різних символів.
Розрізняють
такі види буквено-цифрових індикаторів:
•
накальную;
• Газорозрядні;
•
Світлодіодні;
• Вакуумні
електролюмінесцентні;
•
Рідкокристалічні.
Накальную і
газорозрядні індикатори в даний час
практично не застосовуються.
Світлодіодні
індикатори бувають двох видів:
семисегментні і матричні.Семісегмент-
ві
світлодіодні індикатори призначені
для відображення інформації у вигляді
цифр і
включають в свій склад
вісім світлодіодів, сім з яких мають
форму сегментів, а один,
восьмий,
- крапка.
Семисегментні
індикатори випускаються двох видів - з
об'єднаним анодом або з
об'єднаним
катодом.
2)
Матричні індикатори. Світлодіодні
матричні індикатори мають у своєму
со-
ставі велика кількість
світлодіодів.
Шляхом
підключення тих чи інших світлодіодів
в матрицю можна сформувати будь-яку
циф-
ру, букву, знак або
символ.
Переваги світлодіодних
індикаторів:
• Мале живить
напруга;
• Порівняно малий
споживаний струм;
• Чітка
конфігурація цифр.
Недолік -
недостатня яскравість світіння.
3)
Вакуумні електролюмінесцентні
індикатори. Принцип дії заснований
на
тому, що аноди у вигляді металізованих
сегментів, вкриті люмінофором, будуть
све-
титься при попаданні на них
електронного потоку.
До
складу такого індикатора (дивіться
малюнок 286) входять:
1. катод для
створення термоелектронної
емісії;
2. прискорює
сітка;
3. маска;
4. аноди.
Катод
створює електронний потік, який
прискорюється сіткою і через маску
потрапляє на ті
аноди, до яких
підведена напруга і викликає світіння
люмінофора.
Маска являє собою
металеву фольгу з прорізами по конфігурації
анодів і
призначена для більш
чіткої конфігурації цифр.
Переваги:
найбільша яскравість світіння з
усіх типів індикаторів, порівняно
низькі
живлять напруги.
Недолік:
великий споживаний струм.
4)
Рідкокристалічні індикатори. Рідкими
кристалами називають матеріал у
вигляді
довгих ланцюжків з дуже високою
рухливістю. За рахунок цього в
звичайному стані ці
молекули
розташовуються хаотично і рідкий кристал
не прозорий (дивіться малюнок 287).
Якщо
помістити рідкий кристал в електричне
поле, то молекули орієнтуються
відноси-
тельно лінії напруженості
поля і рідкий кристал стає прозорим
(дивіться ри-
нок 288).
До складу конструкції (дивіться малюнок 289) входить: 1. скло; 2. прозорий електрод; 3. рідкий кристал; 4. непрозорий електрод. Прозорий електрод виконується у вигляді сегментів, букв або символів і залежно від того між яким з прозорих електродів і непрозорим електродом створюється електрич- тичне поле в цьому місці рідкий кристал стає прозорим і крізь нього виявляється видно непрозорий електрод. Переваги: мале живить напруга, надзвичайно малий споживаний струм. Недолік: можна використовувати тільки при зовнішньому освітленні. Висновок Звичайно, у настільки стислому описі охопити всі деталі процесів, які спостерігаються в електрон- них приладах, неможливо. Залишилися не розглянутими навіть деякі радіодеталі: одно- перехідні транзистори, іоністори, кріотрони, лазери, мазери, лампи зворотної та біжить хвилі, клістрони і магнетрони ... Так, багато приладів не потрапило в наш опис. Озна- коміться з цими приладами можна, прочитавши книги зі списку використаних літературних джерел, який можна знайти в самому кінці цієї книги. Але автор і не намагався говорити про все. Були обрані лише найважливіші явища, що становлять ядро електроніки, і якщо допитливий читач розібрався у всьому тому, що викладено було вище, то напевно ті- перь йому буде більш зрозумілий будь технічний предмет, будь-яка складна технічна книга. Автор сподівається, що книга виявилася корисною, а її виклад - зрозумілим. З повагою, Е. А. Моськатов
Додаток
Рішення
типових задач
по курсу "Електронна
техніка"
Завдання № 1
Визначення
невідомих параметрів напівпровідникового
діода за графіком, зображеному
на
малюнку 290. Знайти:
• Максимальний
прямий струм Iпр.max
• Максимальна
пряме падіння напруги Uпр.max
•
Напруга електричного пробою Uел.проб
•
Максимальна зворотна напруга
Uобр.max.
Визначається як Uобр.max. =
(⅔ ∙ ѕ) ∙ Uел.проб.
Завдання
№ 2
Визначення
невідомих параметрів стабілітрона за
характеристикою, зображеної на малюнку
291. Знайти:
•
Мінімальний прямий струм Iст.min.
•
Максимальний прямий струм Iст.max.
•
Номінальний прямий струм Iст.ном. Визначається
за наступною формулою:
• Напруга
стабілізації Uст.
• Зміна напруги
стабілізації ΔUст. (При зміні струму
стабілізації від мі-
нимума до
максимуму).
• Диференціальний
опір на ділянці стабілізації. Визначається
за слідую-
щей формулою:
•
Температурний коефіцієнт стабілізації
α. Визначається за наступною
формулою:
Завдання
№ 3
Побудова
навантажувальної прямої та визначення
координат робочої точки за графіками
(смот-
ріте малюнок 292). Дано:
Eк; Rк; Iбo. Визначити: Uкеo; Iкo; Uбеo.
Знаючи
струм Iбo, з графіка малюнка 293 визначаємо
Uбеo. З формули
Rк
Iк.нас
Eк визначаємо
Iк.нас. Знаючи Eк
і Iк.нас, відкладемо їх значення на осях
координат графіка, зображеного на
малюнку
292.
З'єднаємо
отримані точки прямою лінією. Ця
лінія і є навантажувальна пряма.Знаючи
з
умови Iбo, і знаючи, в якому місці
навантажувальна пряма перетинає
необхідний струм бази, визна-
лим
робочу точку (РТ). Спроеціруем робочу
точку на вісь Uке і знайдемо Uкеo.
Завдання
№ 4
Визначення
h-параметрів біполярних транзисторів
за графіками (дивіться малюнки 294
-
298). Для малюнка 297 справедливо
ΔIб = Iб3 - Iб2.
Завдання
№ 5
Визначення
параметрів польових транзисторів за
характеристиками (дивіться малюнки
299,
300).
Визначити
крутизну характеристики S і вихідний
опір Rст. польового транзісто-
ра. З
стокозатворной характеристики, зображеної
на малюнку 299, за такою формулою
знайдемо
крутизну характеристики:
Для
знаходження Rст звернемося до малюнка
300. З цієї ілюстрації визначаємо ΔUc
і ΔIc.
Вихідний опір розрахуємо за
такою формулою:
Завдання
№ 6
Завдання на логічні елементи. На
малюнку 301 приведена принципова схема
пристрою,
що складається з трьох
логічних елементів - двох елементів
Шеффера (І-НЕ) і одного еле-
мента
Пірса (АБО-НЕ). Також умовою є подаються
на пристрій рівні логічного
ської
одиниці і логічного нуля. Потрібно
визначити, що буде на виході елемента
DD3 -
логічний нуль або одиниця.
Рішення. На
елемент І-НЕ DD1 подаються дві одиниці,
значить, на виході у нього буде нуль.
На
елемент І-НЕ DD2 подаються нуль і одиниця,
значить, на виході у нього буде
одиниця. На
елемент АБО-НЕ DD3
подаються нуль і одиниця з елементів
DD1 і DD2, отже, на
виході у нього буде
нуль. Відповідь: нуль.
Література 1. Буланов Ю. А., Глаголєв Г. І. Основи електроніки. - М.: «Вища школа», 1966, 347 с.: Ил. 2. Бистров Ю. А., Мироненко І. Г. Електронні ланцюги і пристрої: Учеб. посібник для елек- тротехн. і енерг. вузів. - М.: Вища. шк., 1989. - 287 с.: Ил. 3. Гершунский Б. С. Основи електроніки. - Київ, видавниче об'єднання «Вища школа», 1977, 344 с. 4. Гусєв В. Г., Гусєв Ю. М. Електроніка: Учеб. посібник для пріборостроіт. спец.вузів. - 2-е вид., перераб. і доп. - М.: Вища. шк. 1991. - 622с.: Ил. 5. Жеребцов І. П. Основи електроніки. - 5-е вид., Перераб. і доп. - Л.: Вища. Ле- нінгр. отд-ня, 1989.-352 с.: ил. 6. Кноль М., Ейхмейер І. Технічна електроніка, т. 1. Фізичні основи електроніки. Ва- куумная техніка, пров. з нім. М., «Енергія», 1971. 7. Силова електроніка: Приклади і розрахунки / Ф. Чакі, І. Герман, І. Іпшіч та ін Пер. з англ. - М.: Енергоіздат, 1982. - 384 с.: Ил.
Зміст
Розділ 1 . Електронно- діркові і металлополупроводніковие переходи ................... 4