Литература / (тоже супер) физосновы для экз

зывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой. В качестве примера на рисунке 3.9а приведена вольт-амперная

а

Рис. 3.9

Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а), его условное обозначение (б) и включение полупроводникового стабилитрона в схему стабилизации напряжения на нагрузке (в)

характеристика стабилитрона КС510А при различных температурах. На рисунке 3.9б, в показаны условное обозначение стабилитрона и его включение в схему стабилизации напряжения.

Основные параметры стабилитронов

иих типовые значения

1.Напряжение стабилизации Uст — падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких до десятков вольт).

2.Максимальный ток стабилизации Iст max (несколько миллиампер — несколько ампер).

3.Минимальный ток стабилизации Iст min (доли — десятки миллиампер).

4.Дифференциальное сопротивление rдиф, которое определяется при заданном значении тока на участке про-

боя как rдиф = ∂Uст/∂Iст (доли — тысячи ом).

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации αст — относительное изменение напряжения стабилизации Uст при изменении температуры окружающей среды на T (αст — тысячные доли процента).

6.Напряжение стабилизации Uст — падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких до десятков вольт).

7.Максимальный ток стабилизации Iст max (несколько миллиампер — несколько ампер).

8.Минимальный ток стабилизации Iст min (доли — десятки миллиампер).

9.Дифференциальное сопротивление rдиф, которое определяется при заданном значении тока на участке про-

боя как rдиф = ∂Uст/∂Iст (доли — тысячи ом).

10. Температурный коэффициент напряжения стабилизации αст — относительное изменение напряжения стабилизации Uст при изменении температуры окружающей среды на T (αст — тысячные доли процента).

Дифференциальное сопротивление при увеличении тока стабилизации уменьшается на 10–20%. Это объясняется тем, что при увеличении приложенного напряжения увеличивается площадь участков, на которых произошел пробой. При токе, близком к номинальному, его сопротивление близко к значению собственного сопротивления базы.

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей.Поэтомувстабилитронеинерционныеявления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей, при переходе из области пробоя в область запирания и обратно практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей. Включение полупроводниковых стабилитронов в схему стабилизации выходного напряжения показано на рисунке 3.9в. При увеличении напряжения питания увеличивается ток в цепи, а падение напряжения на стабилитроне и нагрузке остается неизменным. При увеличении тока через стабилитрон возрастает падение напряжения на резисторе R. Другими словами, почти все приращение напряжения питания падает на резисторе R, а выходное напряжение остается неизменным за счет своеобразной характеристики обратной ветви стабилитрона.

Параметры цепи стабилизации напряжения выбирают так, чтобы удовлетворялись следующие очевидные неравенства:

где Uи max и Uи min — максимальное и минимальное напряжения источника питания; Iн max и Iн min — максимальный и минимальный токи нагрузок, которые будут соответственно при Rн max и Rн min.

Если неравенства (3.25), (3.26) не удовлетворяются, то реализовать параметрический стабилизатор напряжения, имеющий заданные параметры, нельзя и необходимо применять более сложные технические решения. Для уменьшения температурного коэффициента

напряжения стабилизации последовательно со стабилитроном включают дополнительный диод (рис. 3.10а). При этом вид

от выше рассмотренного, такой компенсированный стабилитрон практически не изменяет параметры напряжения, полярность которого противоположна стабилизируемому, что удобно при построении ряда устройств.

Данные стабилитроны получили название прецизионных и выпускаются промышленностью в виде законченных компонентов, например 2С191, КС211, КС520 и др. В них дополнительно нормируется временная нестабильность напряжения стабилизации (тысячные доли процента — доли процента) и время выхода на режим, при котором обеспечивается заданная временная нестабильность (десятки минут).

В прецизионных стабилизаторах напряжения вместо резистора R устанавливают стабилизатор тока. Он необходим потому, что при изменении тока через стабилитрон на величину Iст падение напряжения на нем меняется на Uст ( Uст = Iстrдиф). Поэтому чем меньше Iст, тем точнее будет поддерживаться требуемое значение напряжения. При необходимости обеспечить стабилизацию двухполярных напряжений стабилитроны включают последовательно (рис. 3.10б), а прецизионные (с дополнительными компенсирующими диодами) — параллельно (рис. 3.10в). Кроме того, промышленность выпускает так называемые двуханодные стабилитроны, например 2С170А, 2С182А и т.д., которые обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных ограничений (рис. 3.10г). Для них дополнительно нормируют абсолютное значение несимме-

тричности напряжения стабилизации (доли вольт).

При необходимости стабилизировать или ограничивать короткие импульсы напряжения (длительностью десятки наносекунд — сотни микросекунд) следует применять стабилитроны, специально предназначенные для этих целей, например 2С175Е, КС182Е, 2С211У и др. Они имеют сниженное значение барьерной емкости, так что общая емкость составляет от нескольких до двух десятков пикофарад и малую длительность переходного процесса (от долей до нескольких наносекунд).

Варикапы. Ширина электронно-дырочного перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап — это полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости.

Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к p-n-переходу. Его емкость меняется в широких пределах, а ее значение определяют из выражения

где Cв(0) — емкость при нулевом напряжении на диоде; Uк — значение контактного потенциала; U — приложен-

ное обратное напряжение; n = 2 для резких переходов и n = 3 для плавных переходов.

Эквивалентная схема варикапа и его условное обозначение приведены на рисунке 3.11а, б. Наличие индуктивности Lв в эквивалентной схеме объясняется, в основном, конструктивными особенностями варикапа.

Рис. 3.11

Эквивалентная схема варикапа (а) и его условное обозначение (б); включение варикапа в состав резонансного LC-контура, перестраиваемого изменением напряжения U (в); rб — омическое сопротивление базы, rпер — сопротивление запертого p-n-перехода; Cбар — барьерная емкость; Lв — индуктивность выводов

Основные параметры варикапов и их типовые значения

1.Общая емкость Св — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (десятки — сотни пикофарад).

2.Коэффициент перекрытия по емкости — отношение

емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений: Kс = Cв max/Cв min (единицы — десятки единиц).

3.Сопротивление потерь rп — суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.

4.Добротность Qв — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сиг-

нала (Xс) к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения: Qв = Xс/rп (десятки — сотни единиц).

5.Температурный коэффициент емкости αСв — отношение относительного изменения емкости к вызывавше-

му его абсолютному изменению температуры окружающей среды: αСв = C /(C T) (2 10–4–6 10–4 1/К). На рисунке 3.11в в качестве примера показано включение варикапа

вцепь резонансного LC-контура. Конденсатор C необходим

для исключения попадания постоянного напряжения U в цепь Uвх. Его берут достаточно большим: С Св.

Резистор R1 также берется большим, так чтобы введение цепи подачи напряжения не приводило к существенному уменьшению добротности варикапа.

Диоды других типов. Кроме рассмотренных диодов некоторое распространение получили стабисторы (КС107, 2С113А, 2С119А), туннельные и сверхвысокочастотные

диоды, среди которых различают сверхвысокочастотные детекторные, параметрические, переключательные и ограничительные, умножительные и настроечные.

Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако в отличие от последних в них используется специальная форма прямой ветви вольт-амперной характеристики. Поэтому стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35–1,9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются

вцепь стабилизации в прямом направлении.

Туннельные диоды — это полупроводниковые приборы, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок 1–2 на рисунке 3.12а). Наличие его является следствием проявления туннельного эффекта. В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные (3И101, 3И104 и др.), генераторные (3И201–3И203), переключательные (3И306–3И309). Область их применения в настоящее время ограничена из-за большей эффективности, даваемой другими полупроводниковыми компонентами. Обращенные диоды представляют собой разновидность туннельных и характеризуются тем, что вместо участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением у них на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (рис. 3.12в). В этих диодах прямую ветвь характе-

Рис. 3.12

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (а) и его условное обозначение (б); вольт-амперная характеристика обращенного диода (в)

и его условное обозначение (г)

ристики можно считать обратной. Обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем у обычных диодов, и может быть применен для выпрямления малых напряжений. Значения обратного напряжения также малы.

Диоды, предназначенные для генерирования шумов, составляют отдельную группу полупроводниковых приборов — так называемых генераторов шума, например типа 2Г401. По виду вольт-амперных характеристик и схеме включения они практически не отличаются от стабилитронов. Режим их работы выбирается так, чтобы обратный ток (ток пробоя) был меньше Iст min. При малых токах параметры напряжения пробоя нестабильны, в результате чего возникают его колебания, происходящие случайным образом (генерируется напряжение шумов). Спектр их достаточно широкий (до 3,5 МГц), а спектральная плотность напряжения генераторов шума лежит в пределах 1,5–15 мкВ/Гц1/2, причем при изменении обратного тока спектральная плотность меняется в два раза и более.

Сверхвысокочастотные диоды подразделяются на смесительные (2А101–2А109 и др.), детекторные (2А201–2А203 и др.), параметрические (1А401–1А408), переключательные и ограничительные (2А503–2А524), умножительные и настроечные (Э2А601–2А613), генераторные (3А703, 3А705). Это специальные типы диодов, предназначенные для работы в сантиметровом диапазоне волн, которые характеризуются параметрами, важны-

ми для работы в этом диапазоне частот. Магнитодиоды представляют собой полупроводниковые приборы, вольтамперная характеристика которых существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода. При практическом применении магнитодиод обычно включают в прямом направлении и используют зависимость его сопротивления от магнитной индукции. Так, например, у магнитодиодов КД-301В при В = 0 и I = 3 мА падение напряжения на диоде составляет 10 В, а при В = 0,4 Тл и I = 3 мА — около 32 В. Эта группа диодов используется в качестве датчиков магнитного поля.

Диоды Ганна основаны на использовании одноименного физического явления генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике. Это следствие того, что у некоторых полупроводниковых материалов на вольт-амперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, аналогичный характеристике, приведенной на рисунке 3.12а. При создании в таком материале электрического поля определенной напряженности возникают колебания электрического поля. Частота их определяется параметрами самого диода, а не параметрами внешней резонансной системы, как это имеет место, например, в генераторах, выполненных на туннельных диодах. Диод Ганна по существу, не вполне удачное название, так как в нем нет p-n-перехода и диодом в общепринятом смысле он не является.

3.3.2.Использование вольт-амперной характеристики диода для определения его режима работы

Указанный вопрос рассмотрим на следующем примере. В схеме, изображенной на рисунке 3.13, необходимо определить ток, протекающий через диод, напряжение на диоде и напряжение на резисторе. Здесь uи — напряжение источника напряжения (известная величина).

Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для указанной на рисунке ориентации контура:

–uи + uR + uд = 0.

258 Р А З Д Е Л 3

Отсюда –uи +iд R+uд =0, а

uи − uд iд = R .

Графиком этой линейной зависимости тока iд от напряжения uд является прямая линия — так называемая линия нагрузки. Сама зависимость называ-

ется уравнением линии нагрузки, которое является одним из уравнений, необходимых для определения двух неизвестных: uд и iд. Уравнение линии нагрузки показывает, как связаны ток iд и напряжение uд в рассматриваемой схеме.

Второе необходимое уравнение — нелинейное — зависимость тока iд от напряжения uд в форме вольт-амперной характеристики диода. Эта зависимость показывает, как связаны ток iд и напряжение uд для конкретного рассматриваемого диода.

Практический анализ электронных схем в настоящее время рекомендуется выполнять на ЭВМ с помощью моделирующих программ. Но при первом знакомстве с подобной схемой очень поучительно выполнить ее графический анализ. Пусть uи = 3 В, R = 10 Ом и используется диод

Д229А при температуре 25°С. Выполним соответствующие графические построения (рис. 3.14).

Искомый ток диода iд = 230 мА, а искомое напряжение на диоде uд = 0,7 В.

Легко заметить, что отрезок ab — это искомое напряже-

ние uR на резисторе R(uR = uи − uд = 2,3 В).

3.3.3.Математические модели диодов и их использование для анализа электронных схем

При анализе электронных схем на ЭВМ все электронные приборы, в том числе и диоды, заменяются их математическими моделями.

Математическая модель диода — это совокупность эквивалентной схемы диода и математических выражений, описывающих элементы эквивалентной схемы. Кратко рассмотрим математическую модель диода, используемую в пакете программ для анализа схем MicroCap-2. Это одна из наиболее простых моделей. Изобразим эквивалентную схему диода (рис. 3.15). Постоян-

ное сопротивление R включено в схему с целью учета тока утечки. Емкость C моделирует барьерную и диффузионную емкость диода.

Управляемый источник тока iу моделирует статическую вольт-амперную характеристику. Математическое

описание тока iу и емкости C достаточно громоздкое, но основано на учете уже рассмотренных выше физических явлений в диоде.

Модель является универсальной и хорошо моделирует диод как в статическом (на постоянном токе), так и в динамическом (в переходных процессах) режиме, учитывает влияние температуры на свойства диода. В простейших случаях, например при ориентировочных ручных расчетах, иногда используют несложные математические модели диодов. При этом часто пользуются кусочно-линейной аппроксимацией вольт-амперной характеристики диода.

Изобразим вольт-амперную характеристику диода (рис. 3.16), выполним линейную аппроксимацию прямой иобратнойветвейиизобразимэквивалентныесхемыдиодов для прямого (рис. 3.17) и обратного включений (рис. 3.18).

Рассмотрим в качестве примера расчет тока и напряжений в простейшей схеме (рис. 3.19).