1.1. Физические явления в p-n переходе. Свойства p-n перехода, его вольт-амперная характеристика.

p-n-Перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Области пространственного заряда

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и перетекание зарядов прекращается.

Выпрямление

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и дрейфовый ток преобладает над диффузионным током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Е сли же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.

Свойства p-n-перехода:

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: 

d=10-7 м,  Dj = 0.4—0,8 В.

2. Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый ток неосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.

3. П рямое включение. Существует ток основных носителей заряда. p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении (свойство односторонней проводимости).

Полупроводники, у которых проводимость определяется в основном дырками, — это полупроводники p-типа, или дырочные. Дырки полупроводников p-типа называются основными носителями, а электроны — неосновными.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

где I0 – тепловой обратный ток p-n-перехода;

Uд – напряжение на p-n-переходе;

jт = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (jк) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К,  jт = 0,025 В);

k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная темпе­ратура;

q  –заряд электрона.

Рис. 2.4. Вольт-амперная характе-ристика p-n-перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи

При отрицательных напряжениях порядка 0,1…0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь  (е4 » 0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е4 » 54,6).  Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изме­нению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

2.1. Классификация электронных усилителей, их характеристики. Коэффициенты усиления по току, напряжению, мощности, связь между ними. Принцип построения усилительных каскадов, связь между ними. Типы усилительных каскадов.

Усилители электрических сигналов - это электронные устройства, предназначенные для усиления или повышения мощности входных сигналов за счет энергии источника питания.

Если рассматривать источник сигнала, который управляет передачей энергии источника питания в нагрузку Rн, как идеальный генератор напряжения Е с внутренним сопротивлением Rвн, а усилитель как эквивалентный четырехполюсник с параметрами, указанными на рис. 3.1

Рис. 3.1.

то в зависимости от соотношения входного сопротивления усилителя Rвх и Rвн различают:

·        усилитель напряжения, если Rвх>>Rвн;

·        усилитель тока, если Rвх<<Rвн;

·        усилитель мощности, если Rвх » Rвн.

В зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя Rвых и Rн:

·        усилитель напряжения, если Rвых<<Rн;

·        усилитель тока, если Rвых>>Rн;

·        усилитель мощности, если Rвых » Rн.

Нагрузкой усилителя может быть другой усилитель, в этом случае он рассматривается как каскад, обеспечивающий одну ступень усиления, а все усилительное устройство - как многокаскадный усилитель.

В многокаскадные усилители входят: входной или предусилительный, промежуточный, предвыходной или предоконечный и выходной или оконечный каскады.

Характер связи между каскадами, в свою очередь, определяет вид усилителей с емкостной (или RC) трансформаторной, резонансно-трансформаторной, непосредственной или гальванической связями.

По характеру изменения сигнала во времени усилители бывают постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот, начиная с нулевой частоты. Усилители переменного тока подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

·        избирательные усилители, усиливающие сигналы фиксированной частоты или электрические сигналы в узком спектре частот, у которых отношение верхней граничной частоты пропускания к нижней fв / fн < 1;

·        широкополосные усилители с большим диапазоном частот усиливаемого сигнала, для которых отношение fв / fн >>1.

Усилители постоянного тока и импульсные усилители - широкополосные. Под условной полосой пропускания понимают частотный диапазон, в пределах которого уровень выходного сигнала не ниже 0,707 максимальной амплитуды сигнала, частоты  fн  и  fв  называются  граничными частотами  полосы  пропускания  Df = fв - fн.

К основным параметрам, которые характеризуют качественные и количественные характеристики усилителя, относятся коэффициент усиления, точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала, коэффициент полезного действия.

Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления показывает во сколько раз приращение выходной величины напряжения, тока или мощности больше соответствующего изменения на входе.

Коэффициент усиления по напряжению Ku =  , по току Ki =  , по мощности Kp =  . Для многокаскадного усилителя суммарный коэффициент усиления КS = K1K2K3 ... Kn,     где n - число каскадов.

Коэффициент усиления можно выразить в логарифмических единицах (дБ) в связи с тем, что слуховой аппарат человека воспринимает изменение громкости звука по логарифмическому закону:

 Кu[дБ] = 20lg Ku;      Ki=20lg Ki;      Kp=10lg Kp;    КS = K1+K2+K3+ ... +Kn.

Точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала

В реальном усилителе сигнал на выходе, кроме временной задержки, которая не вносит изменений в форму входного сигнала Uвых(t) = KUвх(t - Dt) содержит нелинейные и линейные искажения.

Основными факторами, обусловливающими нелинейные искажения является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителей.

Рассмотрим нелинейную входную характеристику iБ = f(UБЭ) усилителя на транзисторе в схеме с общим эмиттером (рис. 3.2). При подаче на базу напряжение синусоидальной формы Uвх(t) = Uбmaxsinwt входной ток iБ(t), а следовательно, и выходной отличны от синусоиды, так как в нем появляется ряд высших гармоник. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений

n == = =

.

Рис. 3.2

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов

nS = n1+n2+n3+ ... +nn,          где n - число каскадов.

Из рис. 3.2 видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала Uвх(t) и не связаны с его частотой, т.е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен быть низкоуровневым. Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в предоконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой. Амплитудная характеристика усилителя Uвых = f(Uвх) приобретает нелинейность с некоторой величины Uвх max (рис. 3.3, б).

Величина D =  характеризует динамический диапазон усилителя.

Линейные искажения в усилителях в основном объясняются зависимостью коэффициента передачи по току a и реактивных сопротивлений элементов схемы от частоты. Принято оценивать характер линейных искажений по АЧХ и ФЧХ. АЧХ показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала (рис. 3.3, в).

Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально гармоники входного усиливаются усилителем не одинаково, так как реактивные сопротивления элементов схемы по-разному зависят от частоты и в сумме дают искажение формы и амплитуды входного сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.3

Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений

                                                      М = К0/Kf ,

г де К0- модуль коэффициента усиления на средней частоте; a Кf - модуль коэффициента усиления на задней частоте. В многокаскадных усилителях суммарный коэффициент частотных искажений усиления равен произведению коэффициентов частотных искажений каскадов.

Принцип построения усилительных каскадов. Типы усилительных каскадов.

VT-усилительный элемент (транзистор),Rб-резистор для установки режима покоя (он создает постоянную составляющую тока базы транзистора), Rк- предназначен для ограничения тока коллектора сверх допустимых значений и для выделения в нем переменной составляющей усиленного напряжения, C1,C2 –для отделения переменной составляющей напряжения и токов от постоянной, Uип-напряжение источника питания.

Uип=IкRк+Uкэ (*). При подаче входного сигнала на усилительный каскад переменная составляющая этого сигнала проходит через конденсатор С1 и вызывает изменение напряжения Uбэ транзистором. При этом ток базы по отношению к току Iбэп (для режима покоя) изменяется по закону изменения входного сигнала. При изменении тока базы

пропорционально изменяется ток коллектора, причем ток базы покоя соответствует свой ток коллектора покоя. (Iкп/Iбп). Поскольку ур-е (*), то росту тока коллектора соответствует уменьшение потенциала коллектора (Uкэ). Т.о. усилительный каскад в схеме ОЭ явл-ся инвертирующим. Или фаза выходного сигнала противоположна фазе входного. Обычно режим покоя транзистора выбирают след образом: с пом-ю резистора Rб (или входного делителя) добиваются, чтобы напряжение Uкэ в режиме покоя было равно приблизительно половине напряжения источника питания Uип. Такому состоянию соответствует определенный ток коллектора покоя и в  раз меньший ток покоя базы. ВАХ резистора Rк линейная, но ВАХ транзистора существенно нелинейна. Расчет и анализ такой цепи можно производить и графически и аналитически

Рис.

На фоне семейства выходных характеристик строят нагрузочную линию по постоянному току. Эта прямая, представляющая собой ВАХ резистора Rк. Строится она по 2-м точкам: 1-я – если принять что Iк=0, то Uкэ=Uип-IкRк; Uкэ=Uип. 2-я – строится в предположении, что транзистор полностью открыт, тогда напряжение Uкэ=0, а Iк=(Uип/Rк). Точку покоя П и границы изменения входного напряжения a и b сносят на передаточную характеристику, а затем на линию нагрузки. Получаем П”a”b”. т.о. можно графически зная амплитуду входного сигнала определить амплитуду выходного. При определении переменной составляющей выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки по переменному току. Она строится при условии, что сопротивление источника питания принимается =0, сопротивление каскада определяется по схеме замещения. Наклон линии по переменному току больше чем наклон по постоянному. При Rн= эти линии совпадают. В любом случае линия нагрузки должна проходить левее и ниже допустимых значений параметров транзистора, т.е. лежать в зоне ОБР. если режим по постоянному току выбран неправильно или амплитуда входного сигнала больше расчетного значения, то появляются искажение формы выходного сигнала, вызванная нелинейностью ВАХ. Такие искажения наз-ют нелинейными. Величину этих искажений оценивают коэффициентом нелинейных искажений.kни =[( P2+ P3+…+ Pn)/P1]= [( U22+ U32+…+ Un2)/ U12]. P1,U1 – мощность и напряжение для основной гармоники, Pn, Un – для высших гармоник. Для получения Uмах на выходе усилителя (мах коэфф усиления по напряжению) необх-мо выполнить след условия: Rг<<Rвх (сопротивление генератора и входное сопротивление усилительного каскада). 2-е условие: Rн>>Rвх. Это соотв-ет режиму хол хода для усилителя. Для получения максимального коэфф усиления по току условие следующее: Rвых>>Rн; Rг>>Rвх. Это режим короткого змыкания для устройства. Для получения мах мощности используют согласованный режим (Rг=Rвх, Rн=Rвых).