Учебное пособие 800596
.pdfэлектронов из р-области и дырок из n-области.
Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т.е. ток коллектора iк.
По рекомендуемой технологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируется эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.
Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:
∆iэ=∆iк+∆iб.
Важное свойство транзистора – приблизительно линейная зависимость между его токами, т.е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.
Подобные же процессы происходят в транзисторе типа p-n- p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменя-
103
ются полярности напряжений и направления токов.
Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 1.31 для транзистора n-p-n.
Рис. 1.31
Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение Uб-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных энергий поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.
В настоящее время биполярные транзисторы все чаще и чаще вытесняются полевыми, иначе называемыми канальными или униполярными. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление. Физические процессы в полевом транзисторе рассмотрим на примере полевого транзистора с управляющим
n – p-переходом (рис. 1.32).
104
Рис. 1.32
При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на n – p-переходе и от этого изменяется толщина запирающего (обедняющего) слоя, ограниченного на рис. 1.32 штриховыми линиями. Соответственно этому меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом.
Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны катоду и аноду электронной лампы, соответственно. Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (З), и в какой-то степени он аналогичен сетке вакуумного триода или базе биполярного транзистора, хотя, конечно, по физическому принципу работы затвор и база весьма различны.
Если увеличивать напряжение затвора Uз-и, то запирающий слой n – p-перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току R0 возрастает и ток стока iс становится меньше. При некотором запирающем напряжении Uз-и. зап площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток iс будет весьма малым. Транзистор запирается. А при Uз-и=0 сечение канала наибольшее, сопротивление R0 наименьшее, например несколько сотен Ом, и ток iс получается наибольшим. Для того чтобы входное напряжение
105
возможно более эффективно управляло выходным током, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т.е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой в нем большей толщины. Кроме того начальная толщина самого канала (при Uз-и=0) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрометров. Запирающее напряжение Uз-и. зап при этих условиях составляет единицы вольт.
Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение n – p-перехода увеличивается, и толщина запирающего слоя получается больше.
106
ГЛАВА 2. СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ И ПРОИСХОДЯЩИЕ В НИХ ПРОЦЕССЫ
2.1. Электрические сигналы
Управление, в широком смысле этого слова, осуществляется с помощью сигналов, которые являются средством передачи информации. Существуют звуковые, световые, электрические сигналы, переносимые либо веществом, либо энергией. Сигналы, передаваемые в электрической форме, обладают множеством достоинств: не требуется движущихся механических устройств, медленных и подверженных поломкам; скорость передачи электрических сигналов приближается к максимально возможной скорости света; электрические сигналы легко обрабатывать, сравнивать и преобразовывать с помощью устройств электронной техники, отличающихся чрезвычайно высоким быстродействием. Сигналы электрической природы можно передавать на различные расстояния с помощью электрического тока, текущего по цепям (проводам), а также с помощью электромагнитных волн, передаваемых через свободное пространство и не требующих для распространения какой-либо среды. Информация, которую переносят при этом сигналы, может являться сообщением о событиях, о режимах технологических процессов, представлять команды на включение или выключение ка- кой-либо аппаратуры.
Выделяют два вида сигналов: аналоговые и дискретные. Сигналы на выходе микрофона, передающей телекамеры,
различного рода датчиков, аналогичны по своему «рисунку» воздействию на эти устройства, соответственно звукового давления, распределения освещенности, температуре. Поэтому подобные сигналы называют аналоговыми. Обычно аналоговые сигналы являются непрерывными в определенном временном промежутке. Устройства, в которых действуют подобные сигналы, называют аналоговыми. К ним можно отнести RC-цепи, выпрямители, усилители, интеграторы и другие устройства.
Дискретными называют сигналы, которые в простейшей своей форме могут принимать только два прерывистых во времени и вполне определенных значения. Обычно дискретные сигналы действуют в устройствах импульсной, цифровой, вычислительной техники, например, в счетчиках, регистрах ЭВМ и т. п.
107
2.1.1. Аналоговые сигналы и их параметры
Аналоговым называется периодический или непериодический электрический сигнал, основные параметры которого (напряжение и ток) непрерывно изменяются во времени. Причем, между минимальным и максимальным значениями параметры аналогового сигнала могут принимать любые значения (рис. 2.1).
Рис. 2.1
Большим недостатком аналоговых сигналов является трудность их восстановления (регенерирования) и слабая помехозащищенность.
Простейшей формой периодического аналогового сигнала является синусоида: гармоническое колебание, при котором напряжение и ток изменяются во времени по синусоидальной закономерности и описываются выражением, например для напряжения
(рис 2.2):
U(t)=Umsin(ωt+υ)
Рис. 2.2
Введем понятия основных параметров периодического аналогового сигнала на примере синусоиды, представленной на рис.
2.2.
108
Амплитуда – наибольшее отклонение напряжения Um (тока Im) от нулевого значения. Амплитуда Um(Im) выражается в B, кВ, мB, мкB(A, мA, мкА).
Период – наименьший промежуток времени Т, в течение которого напряжение (ток) приобретает все промежуточные значения и возвращается к произвольно выбранному исходному значению, т. е. совершает полное колебание. Период выражается в единицах времени: с, мс; мкс.
Частота – величина обратная периоду сигнала f=l/T, определяющая количество полных колебаний значений напряжения (тока) в течение 1с и выражаемая в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т.д. Причем ω=2πf называют угловой скоростью вращения (круговой или циклической частотой) и измеряют в рад/с.
Фаза – величина Φ=ωt+υ, определяющая состояние периодического процесса в каждый момент времени, где υ это начальная фаза колебания в момент времени t=0. При этом фазовый сдвиг показывает отставание во времени одного периодического процесса от другого и выражается в радианах или градусах.
В электротехнике, если нет специальной оговорки, пользуются действующими значениями напряжения или тока. Действующие значения соответствуют значениям постоянного тока, развивающего ту же мощность. Амплитудное значение напряжения Um
или тока Im в 
2 раз больше действующего.
Синусоидальная форма представления электрического сигнала является наилучшей, т.к. сигналы любого вида (периодические несинусоидальные, непериодические, импульсные и т.д.) можно представить как сумму простейших синусоидальных сигналов с различными параметрами. Например, прямоугольное колебание можно представить суммой синусоидальных колебаний с амплиту-
дами An=A1/n, где п=1, 3, 5,...(рис 2.3).
109
Рис. 2.3
2.1.2. Импульсные сигналы и их параметры
Периодические и непериодические дискретные, или прерывистые во времени, сигналы делятся на импульсные и цифровые.
Электрический импульс представляет собой процесс резкого отклонения напряжения или тока от некоторого постоянного уровня (в частности, от нулевого), наблюдаемый в течение времени, меньшего или сравнимого с длительностью переходных процессов в схеме.
Существует два вида импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы получают при коммутации цепи постоянного тока. Наиболее часто используют видеоимпульсы прямоугольной (рис. 2.4а), трапецеидальной (рис 2.4б), экспоненциальной (остроконечной) (рис. 2.4г) и треугольной (рис. 2.4д) форм. Различают видеоимпульсы положительной (рис. 2.4а, б, г, д) и отрицательной (рис. 2.4в) полярности, а так же двусторонние – разно полярные – импульсы (рис. 2.4е). При этом реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию.
Радиоимпульсы (рис. 2.5) представляют собой кратковременные посылки синусоидального напряжения или тока. Они снимаются с выхода высокочастотного генератора, который управля-
110
ется (модулируется) видеоимпульсами. Поэтому форма огибающей радиоимпульсов соответствует форме модулирующих видеоимпульсов. Радиоимпульсы на рис. 2.5 – результат модуляции амплитуды высокочастотного колебания прямоугольными видеоимпульсами.
Рис. 2.4
Рис. 2.5
Единичное импульсное колебание, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемой информацией, можно отнести к аналоговым сигналам, так как в диапазоне своих изменений такой сигнал может принимать любые значения. Устройства, в которых действуют электрические импульсы, называют импульсными.
111
Импульсный сигнал называют дискретным, если он составляется импульсами, действующими в отдельные (дискретные) моменты времени.
Введем понятие об основных параметрах импульсов на примере реального прямоугольного импульса (рис. 2.6).
U
Рис. 2.6
Длительность. За активную длительность импульсов tиа. принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соответствующем половине амплитуды. Иногда длительность импульсов определяют на уровне 0,lUm (0.1Im) или по основанию импульса. В дальнейшем, если это не оговорено, длительность импульса будет определяться по основанию и обозначаться tи (см. рис. 2.4а).
Длительность импульса выражается в единицах времени: секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и наносекундах (нс).
Амплитуда. Наибольшее значение напряжения или тока импульса данной формы является его амплитудой. Амплитуда импульса Um (Im) выражается в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ) или амперах (А), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА).
Длительность и крутизна фронта импульса. Импульс имеет передний фронт и срез, последний также называют задним фронтом.
Длительность переднего фронта импульса определяется временем нарастания импульса, а длительность среза – временем спада импульса.
Наиболее часто пользуются понятием активной длительности фронта tф, за которую принимают время нарастания импульса
112