uch_posobie_2014_ver_11

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

_____________________________________________________________

А. А. ПОГОДИН

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Электронная цепь (схема)

Исторически первыми применениями электричества на пользу человека были преобразования электроэнергии в световую (электрическое освещение) и механическую (электродвигатели), использовалось также электрохимическое действие тока (электролиз). Для передачи информации электрический ток стал применяться несколько позже; вместе с тем, электрическая и тесно связанная с ней радиосвязь оказались намного эффективнее известных с давних времен звуковой и световой связи.

Электрический ток и связанное с ним (законом Ома) напряжение одновременно являются носителями энергии и информации. Однако в одних случаях главным параметром является энергетический (мощность тока и т. д.), в других – информационный (амплитуда, форма, частота, фаза электрического сигнала).

Источником информации может служить любой датчик, преобразующий неэлектрическую величину в электрический ток. Например, микрофон преобразует в электрический сигнал звук (звуковое давление), передающая телевизионная камера – свет (яркость), термопара – температуру, приемная антенна – напряженность электромагнитного поля, вращающийся трансформатор – угол поворота и т. д. Обратный процесс происходит во многих получателях информации, таких как динамик, телевизионный приемник, передающая антенна, сельсин-приемник, контакты реле и др. В ряде случаев получатель информации, на первый взгляд, сам является чисто электрическим устройством, например ЭВМ, однако при работе с дисплеем оператор получает с экрана уже не электрические сигналы, а оптические, полученные путем преобразования электрических.

Подавляющее большинство датчиков формируют электрические сигналы малой мощности. Многие получатели информации также выполняют свои функции при подаче на них токов и напряжений с небольшой энергией. Вместе с тем, для освещения, создания механического движения, электролиза требуются мощные токи, высокие напряжения. По силе используемого тока электрические схемы делятся на слаботочные и сильноточные: слаботочная схемотехника применяется, как правило, для передачи информации.

Сигналы, формируемые датчиками, обычно столь малы, что требуется их усиление, а зачастую – и фильтрация различных помех и шумов. В про-

3

цессе передачи сигналов от датчиков к получателям обычно производится и их более сложная обработка – кодирование, запись в ячейки памяти, сравнение с эталонными сигналами и т. д. Все перечисленные функции выполняют электрические схемы, в большинстве случаев содержащие активные элементы, которые преобразуют энергию источника питания в энергию полезного сигнала. К активным элементам можно отнести, например, все типы транзисторов, интегральные микросхемы (ИМС); в более ранний период развития схемотехники основными активными элементами были электронные лампы. Наличие в схемах активных элементов является ещё одним отличительным признаком, объединяющим группу электронных схем.

Итак, электрические схемы малой мощности, содержащие активные элементы и предназначенные для передачи информации, образуют группу электронных схем. Границы этой группы размыты, так как, например, дифференцирующая пассивная цепь или резистивный делитель не содержат активных элементов, но часто являются необходимыми составляющими сложной электрической схемы, обеспечивающей обработку информации. С другой стороны, радиопередатчик формирует сигналы большой мощности, хотя тоже относится к электронным устройствам.

Раздел электротехники, посвященный синтезу и анализу электронных схем, принято называть электроникой (гораздо реже – слаботочной электротехникой). Название, происходящее от слова «электрон», является не совсем удачным, но общепринятым и устоявшимся (история названия восходит к ламповой схемотехнике, где электроны двигаются в вакууме, в отличие от проводников, где они движутся между узлами кристаллической решетки).

Электроника подразделяется на две большие части – аналоговую и цифровую. Основой классификации является вид представления информации. Если информационный сигнал может иметь два (очень редко три) фиксированных уровня, то электроника называется цифровой (реже дискретной), а электронные схемы – цифровыми. Название «цифровая» связано с тем, что двухуровневое представление информации хорошо описывается алгеброй двоичных чисел. К цифровым электронным устройствам относится подавляющее большинство ЭВМ. Аналоговое представление информации предполагает, что электрические сигналы могут иметь множество уровней. К аналоговым устройствам относятся усилители, генераторы, фильтры, существуют и аналоговые вычислительные машины (АВМ). Название «аналоговая» связано

4

с тем, что контролируемые датчиками неэлектрические величины являются многоуровневыми и электрические сигналы представляют как бы их аналоги.

Электронная схема может быть целиком аналоговой или цифровой, а может содержать обе указанные части, соединяющиеся аналого-цифровым или цифроаналоговым преобразователем (АЦП или ЦАП). Иногда роль АЦП может исполнять датчик сигнала (порогового типа).

1.2. Классификация электронных схем

Разделение электронных схем на аналоговые и цифровые не исчерпывает классификацию, принятую в схемотехнике.

Электронные схемы называются активными, если энергия сигнала на выходе схемы W2 либо превосходит энергию входного сигнала W1, либо входной сигнал отсутствует вовсе. Сигнал получает энергию от источника питания. Примеры активных электронных схем приведены на рис. 1.1 и 1.2.

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Если выходной сигнал имеет энергию, не превосходящую энергию входного сигнала, то электронная схема называется пассивной (рис. 1.3).

Кроме разделения на активные и пассивные, электронные схемы делятся на линейные, параметрические и нелинейные. Формальный критерий, по которому осуществляется этот тип классификации, – вид дифференциального уравнения, описывающего схему. В линейных схемах все параметры не зависят ни от уровня входного сигнала, ни от времени; в параметрических –

5

по крайней мере, один элемент меняется во времени, под воздействием управляющего сигнала (рис. 1.4); в нелинейных – зависит от уровня входного сигнала. За кажущейся отвлеченностью рассматриваемого типа классификации стоит глубокий физический смысл, лучше всего объяснимый с помощью понятия «спектр сигнала».

Рис. 1.3

Рис. 1.4

Детерминированные сигналы в большинстве своем имеют спектры, содержащие ограниченное количество гармоник. При прохождении через линейную схему сигнал претерпевает лишь такие преобразования, которые сопровождаются изменением амплитуд и фаз гармоник, но не появлением новых. При прохождении сигнала через параметрическую схему в спектре на выходе присутствуют гармоники спектра входного сигнала, спектра управляющего сигнала, вызывающего изменение параметров схемы, и их линейные комбинации. Спектр сигнала на выходе нелинейной схемы обогащен гармониками, кратными гармоникам спектра входного сигнала.

В качестве иллюстрации к изложенному рассмотрим пример: допустим, входной сигнал – гармонический и его спектр содержит всего одну гармонику частоты f. При прохождении через линейную схему сигнал изменит амплитуду и/или фазу, но в спектре выходного сигнала также будет лишь гармоника частоты f. Если допустить, что в параметрической схеме управляющий сигнал также является гармоническим, но с частотой F < f, то спектр

6

сигнала на выходе схемы будет содержать четыре гармоники с частотами F, f – F, f, f + F. На выходе нелинейной схемы будет сигнал с гармониками f, 2f, 3f, 4f, ... (некоторые гармоники могут иметь нулевую амплитуду).

Другим важным различием между линейными, параметрическими и нелинейными схемами является соблюдение (или несоблюдение) принципа суперпозиции. Суть принципа заключается в следующем: если входному

сигналу Uвх1 соответствует выходной Uвых1 = KUвх1, a Uвx2 соответствует

Uвых2 = KUвx2, то справедливо соотношение Uвых1 ± Uвых2 = K(Uвх1 ±

± Uвx2).

Принцип суперпозиции соблюдается только для линейных и параметрических схем.

Примерами линейных схем являются пассивный фильтр и резистивный делитель, параметрических – амплитудный модулятор и электронный ключ, нелинейных – ограничитель, а также автогенератор.

Следует отметить, что многие схемы в зависимости от уровня входного сигнала могут быть как линейными, так и нелинейными: например, усилитель при малых сигналах – линейный, а при больших, прохождение которых сопровождается нелинейными искажениями, – нелинейный (усилительограничитель).

Еще один тип классификации – назначение схемы. В этом плане схемы объединяются в функциональные группы, например:

–фильтры;

–усилители;

–компараторы (схемы сравнения);

–генераторы;

–электронные ключи;

–логические схемы;

–триггеры;

–АЦП;

–ЦАП.

В каждой крупной группе можно выделить более мелкие. Например, группу генераторов можно разделить на генераторы гармонических сигналов и генераторы импульсов; генераторы импульсов, в свою очередь, – на гене-

7

раторы прямоугольных импульсов и генераторы пилообразных импульсов; генераторы прямоугольных импульсов – на автоколебательные и ждущие.

Количество «элементарных» электронных схем ограничено несколькими сотнями. Эти схемы представляют собой своего рода «кирпичи», из которых можно построить более сложные электронные устройства (как любое здание строится из типовых блоков, балок). Изменение элементной базы существеннее всего сказывается на этих «кирпичах», чем на процессе их объединения в сложные электронные схемы. Например, ламповый, транзисторный и операционный (на интегральной микросхеме) усилители очень существенно различаются, но так как они выполняют одну и ту же функцию усиления сигналов, то находятся, например, в приемниках разных «поколений» в одном и том же месте в схеме.

Отметим, что объединять элементарные электронные схемы в более сложные следует, конечно, с учетом того влияния, которое оказывает соседняя схема на данную, т. е. осуществлять согласование схем.

Свойства электронных схем, образующих группы, описываются параметрами и характеристиками, общими для всех схем группы.

2. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

2.1. Полупроводниковые материалы

Основные материалы, из которых изготавливают элементы электронных схем, относятся к полупроводникам, занимающим промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление ρ полупроводников колеблется в пределах от 0,1 до 108 Ом ∙ м, причем уменьшается при нагревании. Термозависимость ρ делает разделение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики нечётким, поэтому для классификации материалов также применяют иной, более строгий критерий – значение энергетического зазора ∆Е между электронами зоны валентности и зоны проводимости: у полупроводников этот параметр лежит в пределах от 0 до 3 эВ.

Свойствами полупроводников обладают вещества, занимающие среднее положение в Периодической таблице Д. И. Менделеева, размещающиеся в третьей–пятой ее группах. В настоящее время базовым полупроводником является кремний (Si): он чрезвычайно распространен в земной коре, составляет до 27,6 % ее объема. Кремний относится к веществам четвертой группы, его атомы имеют валентность, равную 4. Похожим по своим свойствам на

8

кремний является германий (Ge) – однако это вещество в природе встречается гораздо реже.

Как у кремния, так и у германия на наружной орбите в атоме находится четыре электрона при предельной численности восемь. Эти электроны слабее других связаны с ядром атома, в химических соединениях обеспечивают ковалентную связь атомов. Эти же электроны при наличии внешних факторов (нагрев, наличие внешнего электрического поля) высвобождаются со своих мест на орбитах и становятся «электронами проводимости» – отрицательно заряженными частицами, перемещающимися в направлении положительного полюса внешнего электрического поля. Место на орбите, с которого «ушел» электрон, называется «дыркой». Тот факт, что атом полупроводника лишился одного из отрицательно заряженных электронов, превращает его в положительно заряженный ион, но приобретенный атомом положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, принято приписывать дырке. Дырка не является заряженной частицей, но ее удобно считать таковой. Имея положительный заряд, дырки при наличии внешнего электрического поля движутся к его отрицательному полюсу, т. е. навстречу электронам. Перенос отрицательных зарядов в сторону «плюса» и положительных – в сторону «минуса» внешнего электрического поля образует общий электрический ток в полупроводнике.

Передвижение электронов называется электронной проводимостью (или n-проводимостью, от слова negative – отрицательный), передвижение дырок – дырочной проводимостью (p-проводимостью, от positive – положительный). Описанный механизм образования тока в полупроводнике представляет собой упрощенную модель – на самом деле в процессе движения электроны и дырки рекомбинируют, но одновременно образуются новые пары электрон-дырка. Таким образом, перемещение заряженных частиц чем-то напоминает передачу эстафеты.

В полупроводниках четвертой группы Периодической таблицы Д. И. Менделеева, таких как кремний и германий, при отсутствии примесей количество дырок практически равно количеству свободных электронов. Полупроводники, лишенные примесей, называют чистыми. Чистые полупроводники имеют в элементной базе электроники ограниченное применение – к элементам этого типа относятся фоторезисторы, терморезисторы и варисто-

ры (см. 2.7–2.9).

9

Чаще используют примесные полупроводники. Если, например, в кремний внести небольшое количество атомов вещества пятой группы (например, фосфор (P), ванадий (V), мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi)), имеющих на наружной орбите пять электронов, то окажется, что в примесном полупроводнике количество электронов избыточно.

Полупроводник такого типа принято называть n-полупроводником, а примесь – донорной. С соседними атомами кремния образуют ковалентные связи только четыре электрона атомов примеси, а пятый – не востребован и потому очень слабо связан со своим атомом. «Лишние» электроны способны при приложении внешнего электрического поля образовать электрический ток. При этом в атомах кремния, не связанных с атомами примеси, будет одновременно реализован механизм формирования электрического тока, характерный для чистого полупроводника.

Электронный ток, обусловленный наличием примеси, гораздо интенсивнее электронно-дырочного тока, обусловленного процессами в базовом веществе. Поскольку перемещающихся электронов в составе тока гораздо больше, чем дырок, то электронный ток называют основным, а дырочный – «током неосновных носителей».

В кремний вносят также атомы третьей группы – бор (B), индий (In), скандий (Sc), галлий (Ga). У атомов такой примеси на наружной орбите всего три электрона – меньше, чем у атомов кремния. Нехватка электронов приводит к излишку дырок.

Полупроводник с примесью атомов третьей группы принято называть p-полупроводником, а саму примесь – акцепторной. В p-полупроводниках основной ток обусловлен движением дырок, а «током неосновных носителей» является электронный.

2.2. Электронно-дырочный переход

Свойства большинства элементов электронных схем основаны на том, что в их составе имеются электронно-дырочные переходы (p–n-переходы). Электронно-дырочный переход образуется в том месте, где в составе базового полупроводника (например, кремния) соприкасаются области с донорной и акцепторной примесями. Физические процессы в p–n-переходе поясняет рис. 2.1.

10