Литература / МТУСИ ФИЗОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Рис. 46

Следует заметить, что ωs даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β:

где β0 – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при ω = 0, ωβ – предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ.

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ωгр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше 1 за счет усиления по напряжению.

Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В то же время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот.

Более детально транзисторные усилители аналогового сигнала рассматриваются в курсе «Электроника» [1, 2].

9. IGBT ТРАНЗИСТОР

Большим достоинством МДП транзистора является способность сохранять открытое или закрытое состояние в отсутствие тока и мощности, потребляемых от источника управляющего сигнала. Напротив, БТ в открытом состоянии потребляет от источника сигнала ток базы Iб и, следовательно, некоторую мощность, иногда очень значительные.

Большим достоинством биполярного транзистора в ключевом режиме является на порядок меньшее падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это означает, что тепловые потери в ключе на БТ значительно меньше, а максимальный допустимый ток значительно больше. Мощные ключи

61

на БТ способны в открытом состоянии пропускать ток в сотни и даже тысячи ампер. Кроме того, они способны в закрытом состоянии выдерживать напряжение до нескольких тысяч вольт.

Указанными достоинствами одновременно обладает IGBT транзистор. Устройство IGBT транзистора поясняет рис. 47,а. Здесь же показано

Рис. 47

его условное обозначение, подчёркивающее сходство с МДП транзисторами и БТ, рис. 47,б.

Структуру вида рис. 47,а в первом приближении можно рассматривать как сочетание n-канального МДП транзистора и БТ со структурой n+-p-n, рис. 47,в. Прилегающие к коллектору n+ и p+ слои являются вспомогательными и улучшают характеристики IGBT транзистора.

Основной ток в нём протекает в биполярной структуре, а управление этим током осуществляется, как в МДП транзисторе, с помощью изолированного затвора. Отсюда название транзистора - Insulated Gate Bipolar Transistor, т.е. биполярный транзистор с изолированным затвором.

10. КОНТАКТ ПРОВОДНИК - ВАКУУМ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Проводник в вакууме также можно рассматривать как контакт двух веществ, точнее, двух сред. В таком контакте возникает явление

термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия, в дальнейшем просто эмиссия, является результатом обычной для контактов диффузии свободных электронов из

62

металла (где их много) в окружающий вакуум (где их нет). Эмиссия тем интенсивней, чем меньше работа выхода из металла и чем выше температура.

В простейшем электровакуумном приборе, диоде, вакуум создаётся в стеклянном, керамическом или металлическом баллоне. На условном обозначении диода он отображается кружком или овалом, рис. 48.

Рис. 48

Эмиссия возникает в контакте металла катода с окружающим вакуумом. При косвенном накале катод нагревается с помощью расположенной внутри него нити накала до нескольких сотен градусов, а при прямом накале ток проходит через катод и разогревает его. Для улучшения эмиссионных свойств или получения необходимого тока эмиссии Iэ подбирают специальный металл (иногда полупроводник) катода с минимальной работой выхода или покрывают его специальным составом.

На небольшом расстоянии от катода располагается второй электрод – анод. Если напряжение на аноде по отношению к катоду положительное, анод создаёт между катодом и анодом положительное электрическое поле. Это поле заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Возникает анодный ток Iа. При отрицательном напряжении на аноде этого тока нет, так как эмиссия свободных электронов происходит только с катода, и конвекционный ток не протекает. Отсюда односторонняя проводимость, как и в диодах на основе m-n

иp-n переходов.

Вэлектровакуумном триоде (рис. 49) имеется ещё один электрод –

63

По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного

Рис. 50

напряжения на анодный ток намного сильнее, чем влияние анодного напряжения. Так, изменение напряжения на управляющей сетке с -3 В до -6 В

при неизменном Ua = 100 В уменьшит Iа на 14 мА. В тоже время для изменения

Iа на 4 мА потребуется приращение Ua = 200 В.

Лампа с двумя сетками, т.е. с четырьмя электродами, называется тетрод, с тремя сетками – пентод. В таких лампах имеются дополнительные сетки, улучшающие электрические свойства.

Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используется следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра.

Это крутизна анодно-сеточной характеристики S = dIа / dUc , внутреннее сопротивление Ri = dUа /dIа, коэффициент усиления по напряжению = dUа

/ dUc . Все три параметра определяются при неизменности остальных токов и напряжений [1]. Из приведённых формул следует:

11.КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

11.1.Компьютерная модель диода

Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих

65

возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами.

Сегодня количество элементов в интегральных схемах может достигать 109 и более. Примерно столько же уравнений в описывающей схему системе уравнений. Решение таких систем иногда невозможно даже с использованием суперкомпьютеров. Поэтому разработка компьютерных моделей элементов – это всегда компромисс между их точностью и сложностью [4].

Рассмотрим возможности моделирования полупроводникового диода на примере диода на основе p-n перехода.

Простейшей компьютерной моделью полупроводникового диода является идеальный электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность, наличие ёмкости p-n перехода и другие важные его свойства.

Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (см. разд. 4.3):

I

Диод при этом моделируется как зависимый источник тока. Зависимость тока I от приложенного напряжения U описывается формулой Шокли (22).

Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов (рис. 51). Кроме того, эта модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно (22), ток диода не зависит от частоты и времени, т.е. его частотные и импульсные свойства идеальны.

Рис. 51

66

Более точной, но и более сложной является модель на основе эквивалентной схемы рис. 52 и системы уравнений (54), (55), (56):

Рис. 52

Здесь диод также моделируется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Это участок пробоя, уравнение (54) и линейная часть ВАХ при прямом напряжении, уравнение (56). Уравнение (55) – уравнение Шокли, которое хорошо описывает начальную часть ВАХ диода при прямом и небольших обратных напряжениях.

Добавление в эквивалентную схему сопротивления утечки Rут позволяет придать наклон допробойной части ВАХ при обратном напряжении и приблизить ВАХ модели к ВАХ реального диода. Так как обратный ток очень мал, добавление Rут практически не изменяет положение остальных частей ВАХ.

Частотные и импульсные свойства диода учитываются введением в

эквивалентную схему полной емкости диода С:

где барьерная Cбар и диффузионная Cдф ёмкости p-n перехода описываются обычными формулами (16) и (17).

Данная модель стала основой для моделей бóльшей точности и сложности.

11.2.Компьютерная модель транзистора

Вкачестве примера компьютерной модели транзистора рассмотрим модель БТ с n-p-n структурой. Её прототип изображён на рис. 53:

67

Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. При надлежащем выборе параметров этих диодов можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая «модель» не отражает главное в процессах в БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока в ЭП выходной ток в КП не появляется.

Поэтому естественным шагом является введение в эквивалентную схему зависимого источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален

входному току Iэ, рис. 54.

Такая модель отражает важнейшее свойство БТ: в активном режиме возникает выходной ток, пропорциональный входному току. Обратные токи ЭП и КП игнорируются ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах.

Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого

источника тока αiIк, который необходим в случае инверсного режима, когда

входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной ток, рис. 55:

И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α >>

αi) , он иногда возникает в реальных схемах и полноценная модель должна это отражать.

68

Следующим шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам полной ёмкости КП СКП и полной ёмкости

ЭП СЭП, рис. 56.

Модель пополнится уравнениями, учитывающими то, что ёмкость p – n перехода при прямом напряжении диффузионная, при обратном - барьерная. Та и другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его величины.

Дальнейшее уточнение модели связано с необходимостью учёта активного сопротивления эмиттерной области Rэ, базовой области Rб и коллекторной областей Rк, рис. 57. Rэ - сопротивление наиболее легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Много большую величину имеет сопротивление базы Rб, в связи с обязательно слабым легированием этой области. Сопротивление Rк учитывают в ключевом режиме, т.к. оно влияет на сопротивление открытого состояния.

Поскольку БТ применяется преимущественно в интегральных схемах, между его коллекторным слоем и кристаллом ИС существует p-n переход. Поэтому модель дополняют ещё одним диодом DJ с его барьерной ёмкостью CJ, которые отражают существование этого перехода в интегральной схеме, рис. 58:

Рассмотренная модель получила название модели ЭберсаМолла (по имени создателей).

Может оказаться необходимым учёт и других особенностей БТ. Это уточнённые температурные свойства, шумовые свойства, особенности конструкции и размеров. Общее число параметров модели БТ в профессиональных программах компьютерного моделирования электронных схем приближается к 100.

12. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

69

Напряжения и токи в электронных приборах подвержены случайным изменениям, флуктуациям. Они воспринимаются как шумовая составляющая полезных сигнальных токов и напряжений. В условиях слабых сигналов, например, в протяжённых каналах связи (спутниковая связь, оптоволоконные и кабельные линии связи) шумы часто являются главной причиной ошибок и искажений при передаче информации.

Существуют два основных вида шумов электронных приборов: тепловой шум и дробовый шум.

Тепловой шум возникает вследствие хаотического теплового движения носителей заряда. В любом сечении проводника или полупроводника, в любой отрезок времени, суммарный заряд, перенесённый слева направо отличается от заряда, перенесённого справа налево. Это неустранимое отличие ΔQ означает существование случайного по величине и направлению шумового тока iш.т = ΔQ/Δt. Шумовой ток существует вне зависимости от внешнего напряжения. Он создаёт шумовое напряжение uш.т = iш.тR на любом объекте c активным сопротивлением R. «Шумит» любое сопротивление - сопротивление канала МДП транзистора, сопротивление областей БТ, сопротивление обыкновенного резистора.

Типичная временная диаграмма uш.т изображена на рис. 59.

Рис. 59

Очевидно, что среднее во времени значение ūш.т = 0. Поэтому количественно тепловой шум оценивается среднеквадратичным значением напряжения шума ūш.т2:

Здесь k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, Δf – полоса частот, в которой шум воспринимается.

Из (57) следует, что тепловой шум можно ослабить следующими способами:

70