4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором

(МДП-транзистор).

Этот транзистор имеет структуру металл - диэлектрик - полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если осно­вой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл - окисел - полу­проводник).

а)	б)
Рисунок 4.4 Структура МДП ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.

Транзистор с индуцированным каналом имеет обла­сти истока n⁺ и стока n⁺, которые выведены путем металлизации че­рез отверстие в окиси кремния на контакты - исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затво­ром. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектри­ком, Если на металлическую часть затвора подать положительное на­пряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области кана­ла. С возрастанием положительно­го напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхност­ны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, со­единяющий исходные n⁺-области истока и стока. Поэтому умень­шается сопротивление материала между истоком и стоком, что ве­дет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электро­статической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник

n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n⁺-р-n⁺. После инверсии образуется n-проводимость и струк­тура становится n⁺-n-n⁺. Меняя напряжение на затворе, можно уп­равлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подоб­ную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии со­здают слаболегированный канал c проводимостью n^--типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряже­ния на затворе (рис. 2.91б) ток между истоком и стоком опреде­ляется сопротивлением n^--канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При по­ложительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, по­тому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с индуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами.

Из рисунка

видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи опи­сывается следующим выражением:

при . ( 3.41 )

Здесь А - постоянный коэффициент; U_{ЗИ ПОР} - напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа про­водимости начинается лишь при достижении напряжения U_ПОР.

Рисунок 4.4 Характеристики прямой передачи МДП ПТ.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуциро- ванным каналом n-типа приведены на рисунке 4.5,а со встроенным ка­налом - на рисунке 4.5,б.

В области U_CИ < |U_ЗИ - U_{ЗИ ПОР} | теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение (3.42) описыва­ет восходящие ветви выход­ной характеристики Входное сопротивление МДП-транзистора из-за нали­чия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹² - 10¹⁴ Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емко­стью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков - сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость -десятые доли пикофарад.

а)	б)
Рисунок 4.5 Выходные характеристики ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратная связь - это такая связь между элементами устройства, при которой часть энергии выходного сигнала поступает на вход устройства.

Виды обратной связи

Положительная обратная связь - выходной сигнал в канале обратной связи совпадает по фазе с входным сигналом устройства, способствуя его усилению (повышению коэффициента усиления). Это дестабилизирует работу устройства, т. к. любые незначительные изменения выходного параметра приводятся каналом обратной связи к предельным значениям (используется в генераторах).

Отрицательная обратная связь - выходной сигнал в канале обратной связи в противофазе с входным сигналом устройства. Стабилизирует выходной сигнал при воздействии внешних факторов, повышает частоту пропускания.

По виду снимаемого с выхода устройства сигнала - обратная связь по напряжению и обратная связь по току.

По схеме включения сигнала обратной связи на вход устройства (по отношению к источнику входного сигнала) - последовательная обратная связь и параллельная обратная связь.

Внутренняя обратная связь проявляется в каждом компоненте усилителя из-за функциональной связи между их электрическими и физическими параметрами.

Внешняя обратная связь обеспечивается включением дополнительных цепей, действие которых направлено на улучшение характеристик устройства.

Паразитная обратная связь создается емкостными и индуктивными связями, не предусмотренные схемотехническими решениями, проявляются на больших частотах.

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилитель постоянного тока (УПТ) - это усилитель медленно изменяющихся сигналов, способный обеспечивать усилительные свойства при частоте сигнала равного нулю (f=0).

Особенность УПТ - линейная зависимость выходного сигнала от входного.

Для работы усилителя на низких частотах необходимо исключить емкостные и трансформаторные связи. Но из-за этого усилитель не огражден от возможности прохождения через него одновременно с полезным сигналом изменений, обусловленным нестабильностью источников питания и электрических параметров элементов (из-за их старения элементов и температурной зависимостью).

Непостоянство выходного напряжения УПТ называют дрейфом нуля.

Дифференциальные цепи позволяют реализовать УПТ с малым дрейфом нуля.

Рассмотрим важнейшие свойства дифференциальной цепи, в которой нагрузка подключена к внутренней диагонали моста.

Балансировка (равновесие) моста по постоянному току обеспечивается условием:

R1R4= R2R3 ;

_a=_b ; I_Н=0 ; U_Н=_a_b =0.

Изменение параметров источника питания (U_П) не нарушает условия балансировки.

При пропорциональном изменении параметров резисторов смежных плеч (R1 и R2 или R3 и R4) балансировка не нарушается.

Синфазные сигналы - сигналы равной амплитуды и одного знака (фазы).

Противофазные сигналы - сигналы равной амплитуды и разного знака (фазы).

Дифференциальный усилитель - усилитель, у которого выходной сигнал пропорционален разности двух входных сигналов.

Простейший дифференциальный усилитель может быть получен из рассмотренной дифференциальной цепи заменой резисторов R3 и R4 на транзисторы VT1 и VT2.

U_НU₁₂=₁ ₂=u_вх1  u_вх2 .

Одна из важнейших особенностей дифференциального усилителя - возможность получения на нагрузочном устройстве разнополярного напряжения.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Операционный усилитель (ОУ) - унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению, выполненный как правило в виде интегральной микросхемы с дифференциальным входом и несимметричным выходом.

ОУ применяется для решения многих технических задач: усиления и преобразования сигналов, стабилизации напряжения и тока, а также для выполнения математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование).

На ранних стадиях развития вычислительной техники ОУ применялся в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций.

В ОУ один вход выполняется с инвертирующим, другой с неинвертирующим включением по отношению к выходному сигналу.

ДУ - входной дифференциальный усилитель, имеющий симметричный вход и обеспечивающий высокую стабильность, малое напряжение шумов.

УН - промежуточный усилиитель напряжения, выполненный в виде дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления.

ЭП - выходной эмиттерный повторитель, выполненный по двухтактной схеме и обеспечивающий малое выходное сопротивление ОУ.

Требования к характеристикам ОУ:

высокий коэффициент усиления по напряжению К_U  (10⁶);

большое входное сопротивление R_вх  (10⁹ Ом);

малое выходное сопротивление R_вых­0 (10 Ом);

линейность передаточной (амплитудной) характеристики;

высокая верхняя граничная частота пропускания f_В до 50 МHz .

Кроме указанных выше параметрами ОУ являются:

напряжение смещения нуля U_см (мВ) - напряжение, которое необходимо подать на один из входов ОУ, чтобы U_вых =0;

частота единичного усиления f₁ (Mhz) - частота, при которой К_U=1;

максимальное входное напряжение;

максимальный выходной ток.

Характеристики ОУ

Амплитудная (передаточная) характеристика представляется в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подачи сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом.

К_{U ОУ} = U_вых /U_вх . U_вх=0, U_вых=0 - условие баланса ОУ.

Схемы включения ОУ

Решающий усилитель - это усилитель, включающий ОУ и элементы обратной связи, предназначенный для выполнения математических операций с сигналами. Используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению.

Сумматор

Повторитель

Интегратор

Дифференцирующий усилитель

ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым.

На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации, цифровая вычислительная техника.

В отличии от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени в импульсных системах используются сигналы импульсной формы.

Преимущества импульсных систем:

меньше потребление тока (больший к. п. д.);

более высокая точность;

помехоустойчивость;

простота представления информации и эффективные способы ее преобразования.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации используют цифровые методы.

Они базируются на использовании сигналов прямоугольной формы, имеющие два фиксированных уровня напряжения, что позволяет представить сигнал в цифровой форме:

уровню более высокого напряжения присваивают символ “1”, более низкого - “0” (положительная потенциальная логика).

Но может быть наоборот - (отрицательная потенциальная логика).

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и синтезе соответствующий математический аппарат - Алгебру логики.

АЛГЕБРА ЛОГИКИ

(Булева алгебра)

Алгебру логики разработал ирландский математик Д. Буль в середине прошлого века.

Булева алгебра изучает связь между переменными, принимающими два дискретных значения:

логическая единица - истинное высказывание,

логический ноль - ложное высказывание.

Булева алгебра является алгеброй состояний