1 Формирование областей с проводимостью «р» и «n» - типа в монокристалле кремния.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энергетическое состояние носит название дырки. Валентные электроны соседних атомов в присутствии электрического поля могут переходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов — дырок.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной, а электропроводность, обусловленную движением дырок,- дырочной.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре, отличной от нуля Кельвина, свободные электроны и дырки образуются попарно, т. е. число электронов равно числу дырок. Электропроводность такого полупроводника (собственного), обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Процесс образования пары электрон - дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием не только воздействия тепловой энергии (тепловая генерация), но и кинетической энергии движущихся частиц (ударная генерация), энергии электрического поля, энергии светового облучения (световая генерация) и т. д.

Образовавшиеся в результате разрыва валентной связи электрон и дырка совершают хаотическое движение в объеме полупроводника до тех пор, пока электрон не будет «захвачен» дыркой, а энергетический уровень дырки не будет «занят» электроном из зоны проводимости. При этом разорванные валентные связи восстанавливаются, а носители заряда - электрон и дырка - исчезают. Этот процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией.

П римесная электропроводность. Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей, а также от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов решетки, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки, и т. д. Примеси бывают акцепторные и донорные.

Акцепторные примеси. Атомы акцепторных примесей способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион. Если, например, в кремний ввести трехвалентный атом алюминия, то образуется ковалентная связь между алюминием и четырьмя соседними атомами кремния и получается устойчивая восьми электронная оболочка за счет дополнительного электрона, отобранного атомом алюминия у одного из атомов Si. Этот электрон, будучи «связанным», превращает атом алюминия в неподвижный отрицательный ион (рис. 1.2,а). На месте ушедшего электрона атома Si образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным нагревом (термогенерацией). При этом в полупроводнике концентрация дырок превысит концентрацию свободных электронов собственной электропроводности (P>N). Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная электропроводность. Такой полупроводник называют полупроводником P-типа.

При приложении к этому полупроводнику напряжения будет преобладать дырочная составляющая тока.

Если содержание примесей мало, что чаще всего имеет место, то их атомы можно рассматривать как изолированные. Их энергетические уровни не расщепляются на зоны. На зонной диаграмме (рис. 1.2,б) примесные уровни изображены штрихами. Валентные уровни акцепторной примеси расположены в нижней части запрещенной зоны, поэтому при небольшой дополнительной энергии (0,01—0,05 эВ) электроны из валентной зоны могут переходить на этот уровень, образуя дырки. При низкой температуре вероятность перехода электронов через запрещенную зону во много раз меньше вероятности их перехода из валентной зоны на уровень акцепторной примеси.

Д онорные примеси. Атомы донорных примесей имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром (рис. 1.3,а). Эти электроны, не участвуя в межатомных связях, могут легко перейти в зону проводимости материала, в который была введена примесь. При этом в решетке остается положительно заряженный ион, а электрон добавится к свободным электронам собственной электропроводности. Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.3,б). Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит тогда, когда он получает небольшую дополнительную энергию. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник обладает электронной электропроводностью. Такие полупроводники называют полупроводниками N-типа. Если, например, в кремний ввести атом пятивалентного фосфора, то четыре его валентных электрона вступят в ковалентную связь с четырьмя электронами кремния и окажутся в связанном состоянии (рис. 1.3,а). Оставшийся электрон фосфора становится свободным. При этом концентрация свободных электронов выше концентрации дырок, т. е. преобладает электронная электропроводность.

В примесном полупроводнике при низких темературах преобладет примесная электропроводность. Однако по мере повышения температуры собственная электропроводность непрерывно возрастает, в то время как примесная имеет предел, соответствующий ионизации всех атомов примеси. Поэтому при достаточно высоких температурах элетропроводность всегда собственная.

2 Технология получения монокристалла кремния (восстановление, очистка от примесей, создание моноструктуры, получение чипов).

Кремний является основным материалом, применяемым для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Он представляет собой сравнительно легкий материал (плотность 2,3 г/см³) серого цвета с температурой плавления 1420°С.

К ремний получают восстановлением Si0₂ с помощью углерода в электрической печи. На этой стадии кремний имеет степень чистоты ~98% и не может быть использован для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Для получения чистого кремния используют методы зонной очистки и бестигельной плавки.

Метод зонной очистки. Слиток кремния 1 помещают в графитовую лодочку 4. С помощью высокочастотного кольцевого электронагре-вателя 2 создается расплавленная зона 3, равная 0,1 длины слитка. Она проходит через весь слиток со скоростью 0,1...2 мм/мин. При перемещении такой зоны вдоль материала примеси будут скапливаться в жидкой фазе и концентрироваться в конце слитка, который после окончания процесса очистки отрезается. Процесс производится в защитной атмосфере азота N₂. Для получения кремния необходимой чистоты надо повторить процесс зонной очистки или создать несколько расплавленных зон.

М етод бестигельной плавки. Слиток кремния 2 устанавливается между верхним 1 и нижним 5 штоками внутри герметизированной вакуумной камеры 6, заполненной инертным газом. Расплавление узкой зоны 3 материала обеспечивается высокочастотным индуктором 4. В результате движения индуктора снизу вверх расплавленная зона перемещается от одного конца слитка к другому. Кроме того, верхняя и нижняя части слитка вращаются в разные стороны, что обеспечивает хорошее перемешивание расплава. Это способствует перемещению примеси, скапливаемой в верхней части слитка, которая затем удаляется. При такой очистке расплавленный кремний не реагирует с материалом тигля, так как отделен от него потоком инертного газа. Недостатком метода является низкая производительность, так как может быть создана только одна расплавленная зона и процесс очистки приходится многократно повторять. Очищенный материал надо получить в виде монокристалла, так как границы раздела между отдельными кристаллами уменьшают подвижность носителей и ухудшают характеристики микросхем.

Метод Чохральского. Выращивание монокристалла кремния производится по методу Чохральского (рис.1.6). Определенное количество сверхчистого кремния, из которого должен быть получен монокристалл, вместе с соответствующей примесью помещают в тигель 7 из графита или кварца. Тигель и доза кремния 6 находятся внутри кварцевого цилиндра 1 с инертным газом (обычно аргоном). Для ввода и вывода аргона предусмотрены трубки 8 и 10. Смесь кремния с примесным материалом, поступающим через трубку 9, нагревается до плавления при помощи высокочастотного индуктора 5. З атем температура стабилизируется на уровне несколько выше температуры плавления кремния. После этого в расплав погружают затравку 3, представляющую собой кристаллик кремния. Затравку на некоторое время оставляют в расплаве, чтобы исчезли все поверхностные дефекты. Затем ее начинают вращать при помощи патрона 2 и медленно вытягивать из расплава. Регулируя скорость вытягивания и температуру расплава, можно поддерживать диаметр и удельное сопротивление растущего кристалла 4 практически постоянными. При вытягивании стержня происходит дополнительная очистка материала. Отсутствие контакта растущего кристалла со стенками тигля позволяет получать равномерно легированные монокристаллы кремния диаметром до 150 мм и длиной до 2 м.

Методы обработки кремния. Резка стальными полотнами или проволокой, с применением абразива долгое время оставалась основным методом распиловки слитка на пластины и только с внедрением дисков с алмазосодержащей внутренней режущей кромкой стала применяться реже.

Металлическая основа 2 диска (рис.1.7) изготовляется из нержавеющей стали толщиной 0,1 ...0,2 мм. Режущая часть 3 насыщена алмазными зернами (20 ...40 мкм). Режущий диск закрепляют на барабане 1, который может вращаться вокруг своей оси. Слиток 5 закреплен на оправке 4 клеящей мастикой 7 и ориентирован так, чтобы режущий диск был установлен строго определённым образом. Пластина отрезается в результате прямолинейного перемещения слитка относительно вращающегося диска. Затем слиток отводят в исходное положение и перемещают на расстояние, равное толщине пластины. После этого процесс резки повторяют. Для удаления продуктов резания и отвода теплоты в зону резания через сопло 6 подается охлаждающая жидкость (обычно 5%-ный раствор кальцинированной соды), которая способствует разрушению материала и удалению теплоты. Современные станки обеспечивают получение пластин высокой точности по толщине (±20 мкм) и с малой шероховатостью поверхности (Ra 0,63 мкм). После резки пластины подвергают шлифовке и полировке, а затем химической обработке. А также Шлифование полупроводниковых пласти,Предварительное полирование,Окончательное полировании.

3 Основные технологические операции при создании радиоэлементов в моноструктуре кремния – диффузия, эпитаксия, окисление, термовакуумное напыление, фотолитография.

Фотолитография. Процесс образования на поверхности диоксида подложки фоторезистивного изображения топологии схемы и последующего переноса его на подложку. Специфика - требование высокой разрешающей способности и повышенные требованиями к качеству применяемых материалов и чистоте окружающей среды. Фоторезисты - тонкие плёнки органических растворов, обладающие свойствами полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования к фоторезистам, - высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хорошая адгезия с поверхностью изделия. Разрешающая способность фоторезиста - это число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности платы с расстоянием между ними, р авным их ширине. Основные этапы процесса фотолитографии. Подготовка поверхности подложки (рис.,а). Фоторезист следует наносить сразу же после окисления пластины без каких-либо дополнительных обработок поверхности. Если подложки хранятся более часа, то производится термообработка в сухом кислороде или азоте при t=1000°С в течение нескольких минут. Она позволяет устранить гидрофильность поверхности подложки. Нанесение фоторезиста производят цен-трифугированием (рис.6). Оптимальная толщина слоя фоторезиста 0,3... 0,8 мкм. При нанесении фоторезиста необходимо обеспечить однородность слоя и равномерность его по толщине. Однородность слоя зависит от чистоты исходного фоторезиста, чистоты окружающей среды, режимов и способа сушки. Удаление растворителя из слоя фоторезиста для образования прочной и однородной пленки осуществляется сушкой при t =18... 20°С в течение 15...30 мин, а затем при t=90... 100 °С в течение 30 мин. Перенос изображения с фотошаблона на пластину, покрытую слоем фоторезиста, реализуется путем экспонирования (рис.в). Если процесс фотолитографии повторяется, то необходимо ранее полученный рисунок совместить с рисунком на фотошаблоне. Точность совмещения составляет 0,25... 0,5 мкм. В качестве источника света используют ксеоновые и ртутно-кварцевые лампы. На качество переноса существенно влияют дифракционные явления, возникающие при наличии зазоров между шаблоном и пластиной. Зазоры возникают вследствие неплоскостности подложки, достигающей 20 мкм. Проявление скрытого изображения (рис.г) в негативном фоторезисте заключается в удалении участков, находившихся под темными местами фотошаблона. В случае позитивного фоторезиста удаляются облученные участки. Для улучшения защитных свойств полученный слой сушат при t=100... 120°С, а затем задубливают при t=200... 250°С в течение 30...40 мин. Требуемый рисунок схемы получают травлением не защищенных фоторезистом участков подложки в смеси азотной и плавиковой кислоты (рис.д). Травление должно обеспечивать полное вытравливание оксидных пленок. Точность операций травления зависит от точности изготовления негатива и качества фоторезиста. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста удаляют в растворителе, в качестве которых применяют органические жидкости и серную кислоту. После набухания пленки фоторезиста удаляют тампоном.

Д иффузия. Процесс переноса легирующих примесей из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией. Процессы выравнивания концентрации происходят при достаточно высоких температурах, когда резко увеличиваются скорости движения частиц. Они характеризуются коэффициентом диффузии D, который определяется массой вещества, проникающего через единичную площадку за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. Процесс диффузии осуществляется в два этапа. На первом этапе из бесконечного источника (газовая фаза) на кристалле создается слой, насыщенный примесью. Этап загонки примеси. Он проводится в присутствии кислорода, что способствует образованию на поверхности слоя боросиликатного стекла (для примеси В₂0₃) или фосфорно-силикатного стекла (для примеси Р₂О₅). На втором этапе примесь подвергается перераспределению. Этап разгонки примеси. Она выполняется при t = 800...1000°С в отсутствие внешнего источника примеси. Рабочей атмосферой служит смесь инертного газа с кислородом. Разгонка примеси в глубь пластины сопровождается выращиванием защитной пленки оксида кремния. Диффузия в потоке газа-носителя из твердого источника выполняется в двухзонных установках (рис. 1.11). Источник примесей помещают в низкотемпературной зоне, а кремниевые пластины - в высокотемпературной зоне (1100... 1200°С). Трубу продувают смесью инертного газа с кислородом и после установления температурного режима пластины помещают в рабочую зону. Испаряющиеся молекулы примеси переносятся газом-носителем к пластинам и через слой жидкого стекла попадают на их поверхности. Жидкое стекло защищает поверхности пластин от испарения и попадания посторонних частиц. Недостатки процесса диффузии из твердого источника — сложность установки и трудность регулирования давления паров. Недостаток такого процесса—большая токсичность концентраций.

Диффузия в замкнутом объеме. В этом случае пластину кремния и источник примесей помещают в кварцевую ампулу, которую откачивают до давления 10^-3 Па или заполняют инертным газом. Затем ампулу запаивают и помещают в нагревательную печь. Молекулы пара примеси адсорбируются поверхностями полупроводниковой пластины и диффундируют в глубь ее. Такой метод применяют для диффузии бора, сурьмы, мышьяка, фосфора.

Эпитаксия. Процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки. В производстве интегральных схем применяют два вида эпитаксии: гомоэпитаксию и гетероэпитаксию. Гомоэпитаксия (автоэпитаксия) — процесс ориентированного наращивания кристаллического вещества, не отличающегося по химическому составу от вещества подложки. Гетероэпитаксия — процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от материала подложки. Наибольшее распространение получил хлоридный способ получения эпитаксиальных слоев кремния, основанный на восстановлении тетрахлорида кремния. Процесс производится в реакторе, представляющем кварцевую трубу, помещенную в индуктор ВЧ-генератора. Реакторы могут быть горизонтального и вертикального типа.

В горизонтальном реакторе (рис. 1.12) кремниевые пластины размещают на графитовых подставках. Обогрев осуществляется высокочастотным генератором. Перед началом процесса систему заполняют азотом или гелием для удаления воздуха и продувают чистым водородом, который при температуре 1200°С вступает в реакцию с остатками оксидных пленок на поверхности подложек и почти полностью удаляет их. Затем камеру заполняют смесью НС1 и Н₂ для стравливания с пластины кремния слоя толщиной в несколько микрометров. С помощью операции газового травления удаляются нарушенный слой и остатки Si0₂. Эпитаксиальные пленки получаются без структурных дефектов. После очистки систему в течение нескольких минут продувают водородом, затем подают SiCl₄ и легирующую примесь. В результате реакции 5iС1₄(газ) + 2Н _2(газ) ↔ Si_{(ТВЁРДОЕ}) ↓ + 4НС1_(ГАЗ) ↑ тетрахлорид кремния разлагается, и на кремниевую подложку осаждается кремний, который принимает структуру лежащего под ним слоя. После окончания процесса подложку охлаждают потоком чистого водорода. В качестве донорной примеси применяют фосфин (РН₃), а для получения слоя P-типа — диборан (В₂Н₆).

Термическое напыление в вакууме. Такое напыление основано на свойстве атомов металлов и некоторых других материалов при испарении в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно (лучеобразно) и осаждаться на поверхности, поставленной на пути их движения. Установка для напыления в вакууме (рис. 1.13) состоит из плоской плиты 6, на которой устанавливается стеклянный или металличес-кий колпак 9. В последнем случае он снабжается смотровым стеклом. На плите предусмотрены два изолированных вакуумплотных вывода 4 для питания испарителя 3. На некотором расстоянии от испарителя помещается подложка 10, на которую наносится тонкая пленка. Подложка нагревается и до достижения заданного режима закрыта заслонкой 1. В соответствии с физическими процессами, происходящими при испарении в вакууме, можно выделить следующие этапы образования пленки: 1) перевод напыляемого материала в парообразное состояние; 2) перенос пара от источника испарения к подложке; 3) конденсация пара на подложке и образование пленки.

Перевод напыляемого материала в парообразное состояние. В области образования паров происходит испарение материала, который нагревается до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. При этом наиболее нагретые молекулы, обладающие высокой кинетической энергией, преодолевают силы молекулярного притяжения и отрываются от поверхности расплава. Вследствие резко пониженной теплопередачи в условиях высокого вакуума перегрева подложек не происходит.

П еренос пара от источника испарения к подложке. Область переноса паров составляет 10...20 см. Чтобы траектории молекул испаряемого вещества были прямолинейными, длина свободного пробега молекул остаточного газа должна в 5... 10 раз превышать линейные размеры области переноса паров.

Конденсация пара на подложке и образование пленки. Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы испаряемого вещества адсорбируются на подложке после хаотической миграции по ее поверхности.

Окисление кремния в парах воды при высоком давлении осуществляется в камере, внутренняя поверхность которой покрывается золотом или другим инертным металлом во избежание нежелательной реакции. В камеру помещают пластины кремния и определенное количество воды высокой чистоты, которая нагревается до температуры оксидирования (500 ...800°С). Толщина пленки зависит от длительности оксидирования, давления и концентрации паров воды.

На качество оксидной пленки влияет чистота рабочего объема, в котором производится процесс. Попадание даже ничтожного количества примесных атомов может существенно изменить свойства материала исходной заготовки. Наиболее вредное воздействие оказывают примеси меди, коэффициент диффузии которых в кремнии очень велик.

Большое значение имеет предокислительная очистка кремния от загрязнений, приводящих к прерывистости в пленках. Преимущество оксидирования при высоком давлении состоит в возможности снижения температуры процесса без увеличения продолжительности.

4 Основные радиоэлементы в электронике – резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы. Их конструкции, получение.

Резисторы. Резисторы применяют двух типов: полупроводниковые и тонкопленочные (рис.1.16). Полупроводниковые резисторы получают методом диффузии (рис. 1.16,а). Они имеют малые размеры с номинальными значениями от 25 Ом до 25 кОм. Такие резисторы отделяют от остальной части кристалла методом изолирующей диффузии. Значение сопротивления зависит от размеров резистивного слоя. Контактные площадки, расположенные на концах диффузионного резистора, вносят дополнительное сопротивление, которое учитывают поправочным коэффициентом. При R = 4 кОм и _к== = 200 Ом/□ L/b= R/_к=4000/200=20/1. Из технологических соображений ширина резистора b принимается равной 25 мкм; следовательно, L=500 мкм. Точность диффузионных резисторов составляет ±(10...20)%. Она зависит от равномерности распределения примесей и точности выполнения конфигурации резистивного слоя.Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая диффузионными резисторами, достаточно велика и определяется главным образом возможностями осуществления теплоотвода. Тонкопленочные резисторы (рис. 1.16,6) представляют собой пленку материала с большим сопротивлением, расположенную на пленке диоксида кремния. Наибольшее применение имеют резисторы из нихрома. Наличие хрома в составе резистора обеспечивает хорошее сцепление пленки со слоем диоксида кремния. Типичные тонкопленочные резисторы имеют сопротивление от 15 до 800 Ом, а температурный коэффициент 5 10^{- 4} 1/°С. Преимущества тонкопленочных резисторов заключаются в возможности размещения их на меньшей площади и лучшей изоляции. Значение паразитных емкостей у них значительно меньше, чем у диффузионных. Такие резисторы можно выполнять с точностью до ±1%. Тонкопленочные резисторы обычно применяют в тех случаях, когда требуются стабильные и точные сопротивления больших номиналов.К онденсаторы. Они имеют следующие разновидности (рис. 1.17): диффузионные, металлоксидно-полупроводниковые (МОП-конденсаторы) и тонкопленочные. Диффузионные конденсаторы (рис. 1.17,а) образуются смещенным в обратном направлении P-N-переходом. Для данного материала емкость является функцией площади перехода, концентрации примесей и приложенного напряжения. Емкость P-N-перехода имеет линейную зависимость от напряжения. Точность диффузионных конденсаторов составляет ±20%. При использовании кремния можно получить конденсаторы емкостью до 1000 пФ и пробивным напряжением в 7 ... 10 В.МОП-конденсаторы (рис. 1.17,6) обладают лучшими характеристиками. Они создаются непосредственно на полупроводниковой пластине. Диэлектриком здесь является слой диоксида кремния, образованный на полупроводнике. Одним из электродов является область кремния N⁺-типа, лежащая под оксидом, а другим — проводящая пленка алюминия, нанесенная на слой оксида. Такой конденсатор обладает хорошей линейностью, высоким пробивным напряжением (до 50 В), низким температурным коэффициентом. Удельная емкость МОП-конденсаторов составляет до 10⁴ пФ/см². Практически это значение ограничивается пределами 300... 1000 пФ. МОП-конденсаторы обладают высокой стабильностью, их емкость не зависит от напряжения. Температурный коэффициент может быть получен меньше 0,03%. Основным недостатком МОП-конденсаторов является большая паразитная емкость относительно подложки. Тонкопленочные конденсаторы (рис. 1.17, в) получаются путем осаждения пленки диэлектрика между двумя проводящими пленками из алюминия, образующими пластины конденсатора. Одна из них наносится на слой диоксида кремния. В качестве диэлектрика применяют диоксид кремния Si0₂ или оксид тантала Та₂О₅. Благодаря хорошей изоляции от подложки слоем Si0₂ конденсатор имеет высокое напряжение пробоя, достигающее сотен вольт. Емкость тонкопленочного конденсатора может достигатъ 900 пФ/мм², когда в качестве диэлектрика применяется SiO₂, и до 3500 пФ/мм², если диэлектриком является Та₂0_5. Точность конденсатора составляет ± (5 ...10) %. Диоды. Смотреть след билет полупроводниковые диоды!!!

Транзисторы. В интегральных микросхемах используют биполярные и униполярные (полевые) транзисторы. Биполярные транзисторы разделяются на планарные и планарно-эпитаксиальные. Планарный транзистор отличается тем, что все слои, соответствующие эмиттеру (Э), базе (Б) и коллектору (К), выходят на одну поверхность. Коллекторные токи при этом проходят протяженный горизонтальный участок под базой, прежде чем достигнут контакта. Повышенное сопротивление коллектора снижает быстродействие транзистора. Планарно-эпитаксиальный транзистор имеет высоколегированный захороненный слой N+-типa с малым омическим сопротивлением, который уменьшает сопротивление коллектора. Транзисторы имеют форму прямоугольника шириной 50... 200 мкм и длиной 75 ...300 мкм. Глубина эмиттерной области составляет несколько микрометров. Большинство биполярных транзисторов изготовляют со структурой N-P-N, что обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению со структурой P-N-P, так как подвижность электронов в 2...3 раза превышает подвижность дырок. Планарно-эпитаксиального транзистор с барьером Шотки представляет собой транзистор N-P-N+-типa, в котором металлический контакт базы расширен на коллекторную область. Такой контакт обладает выпрямляющими свойствами и работает как диод. Транзисторы с барьером Шотки характеризуются высоким быстродействием и большим коэффициентом усиления. Изготовление таких транзисторов не требует дополнительных операций, а площадь незначительно превышает площадь обычного транзистора. Униполярный (полевой) транзистор имеет структуру «металл — оксид — полупроводник» (МОП) и может быть выполнен с индуцированным или встроенным каналом, который создается технологическим путем. МОП-транзистор с индуцированным каналом представляет собой конденсатор, верхней, обкладкой которого является металлический затвор (3), нижней — полупроводник (кремний Р-типа), а диэлектриком — слой Si0₂. Когда к затвору приложено положительное напряжение, на поверхности кремния между диффузионными областями N-типа индуцируется (наводится) канал проводимости N-типа от истока (И) к стоку (С).С помощью напряжения на затворе можно менять в широких пределах ток от истока к стоку (от 10^-9 до 10^-2 А). Максимальное напряжение на затворе (10 В) ограничивается электрической прочностью изолятора. Малое расстояние между диффузионными областями (10 мкм) и тонкий оксидный слой (0,2 мкм) обеспечивают максимальное изменение проводимости от истока к стоку. Важнейшим свойством МОП-транзисторов является высокое входное сопротивление, что объясняется хорошей изоляцией затвора слоем диоксида кремния. МОП-транзисторы имеют простую структуру и малую по сравнению с обычными транзисторами паразитную емкость. Площадь МОП-транзистора примерно в 10 раз меньше, чем планарного.

5 Полупроводниковые диоды. Свойства, назначение, построение.

Полупроводниковые диоды + (7)-Стабилизация напряжения)

Полупроводниковый диод - элемент электрической цепи, имеющий два вывода и обладающий односторонней электропроводностью. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Работа диодов основана на использовании электронно-дырочного перехода. Основное свойство этого перехода – несимметричная электропроводность, при которой кристалл пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис.1.1,а. Одна часть его имеет электронную проводимость (n-область); другая, имеет дырочную проводимость (p-область).

p-n- переход: а–устройство, б–объёмные заряды

Электроны в n-области стремятся проникнуть в p-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p-области перемещаются в n-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие, и при замыкании p- и n-областей ток в цепи не протекает.

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n-переходов.

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление R₁. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в диоде, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис.2.1,а показано схематичное изображение стабилитронов, а на рис.2.1,б приведены их вольтамперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 2.1,б штриховой линией показано перемещение вольтампер­ных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что по­вышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U_ст>5В и уменьшает его при U_ст<5B. Иначе говоря, стабили­тро­ны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_ст<5В ― отрицательный. При U_ст = 6...5В ТКН близок к нулю.

Рис.2.1. Изображение стабилитронов (а) и их вольтамперные характеристики (б). Иногда для стабилизации напря­жения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие прибо­ры в отличие от стабилитронов на­зывают стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода на­пряжение на нем имеет значение 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только ма­лые напряжения (не более 2В). Схема включения стабилитрона приведена на рис. 2.2,а, а стабистора ― на рис. 2.2,б.

О сновными параметрами стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации U_ст; температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН_ст; допустимый ток через стабилитрон I_ст.доп ; дифференциальное сопротивление стабилитрона r_cт . Дифференциальное сопротивление стабилитрона ― это параметр, который характеризует наклон вольтамперной характеристики в области пробоя. На рис. 2.3,а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 2.3,б.

Л инеаризированная характеристика стабилитрона (а) и его схема замещения (б)

Используя схему замещения, можно рассчитать простейший параметрический стабилизатор напряжения, изображенный на рис.2.4,а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 2.4,б. Для этой схемы можно написать систему уравнений (2.1), определяющую напряжения и токи в цепи.

Схема простейшего стабилизатора напряжения (а) и схема его замещения (б)

(2.1)

В результате решения системы уравнений (2.1) получим напряжение на выходе стабилизатора

, (2.2), где - ток нагрузки.

Подставим значение I_н, .(2.3)

Из выражения (2.3) следует, что выходное напряжение параметрического стабили­­затора зависит от напряжения на входе стабилизатора U_вх, сопротивлений нагрузки R_н и ограничения тока R₁, а также от параметров стабилитрона U_ст и r_ст..

_{Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.}

Точечные диоды. Диффузионная технология нашла наибольшее применение при изготовлении кремниевых диодов средней и большей мощности. Исходным материалом является кремний п-типа. Для создания р-слоя используют диффузию акцепторного элемента через поверхность исходного материала. Диффузия может производиться из трех состояний акцепторного вещества: твердого, жидкого или газообразного. При диффузионном методе достигаются достаточная точность глубины р-слоя и концентрации примеси в нем, что важно для получения требуемых материалов диодов.

В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении полупроводниковых диодов, различают точечные диоды, сплавные диоды и диоды с диффузионной базой.

По площади или конструктивным признакам их подразделяют на точечные, плоскостные, планарные, мезадиоды, диоды Шотки.

Диоды с барьером Шотки. Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n переходом по следующим параметрам:

более низкое прямое падение напряжения; имеют более низкое обратное напряжение; более высокий ток утечки; почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления. Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода. В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом прямое падение напряжения ДШ меньше прямого падения напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2...0,3В. Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений.

Так как в диодах Шотки заряд переносится основными носителями, то в них отсутствует неравномерность распределения носителей, снижающая скорость перехода диода из открытого состояния в закрытое. Следовательно, диод Шотки менее инерционны, чем диоды, построенные на р-п переходах. С= 0.01пф, f =5-250ГГц. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды и т.д.

Выпрямительные диоды. К ним относятся диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. К емкости р-п перехода, к быстродействию и стабильности параметров таких диодов не предъявляют специальных требований (f=50Гц-100кГц). В качестве выпрямительных диодов используют сплавные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных р-п переходов. Для выпрямительных диодов характерно малое сопротивление в проводящем состоянии и возможность пропускать большие токи. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: допустимое обратное напряжение диода U_обр.д. - значение напряжения, приложенное в обратном направлении, которое диод может выдержать длительное время без нарушения работоспособности; средний прямой ток диода I_ср - максимально допустимое значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении; максимально допустимый импульсный ток I_max - ток при заданной максимальной длительности импульса; обратный ток диода - среднее значение обратного тока; прямое напряжение на диоде U_пр – падение напряжения при среднем значении прямого тока; мощность, рассеиваемая на диоде, P_д - средняя мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях; дифференциальное сопротивление диода r_д - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его приращению тока.

Импульсные диоды. Эти диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-п перехода (доли пикофарад). Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-п перехода, поэтому допустимые мощности рассеивания у них невелики (до 10 мВт). F_в до 600МГц .Основными параметрами импульсных диодов (в дополнение к перечисленным параметрам выпрямительных диодов) являются: - емкости диода С_д ;максимальное импульсное прямое напряжение U_пр.м; максимальный импульсный ток I_max ; время установления прямого напряжения диода t_д. Оно характеризуется скоростью диффузии инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего меняется ее сопротивление; время восстановления обратного сопротивления диода t_в. Время восстановления определяют как промежуток времени, прошедший с момента изменения полярности напряжения до момента, когда обратный ток уменьшится до 0,1 I_пр прямого тока, - единицы мкс. Наличие времени восстановления обусловлено зарядом неосновных носителей, накопленном в базе диода при инжекции. Для закрывания диода этот заряд должен быть ликвидирован. Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода неосновных носителей заряда в эмиттер, что приводит к увеличению обратного тока.

Варикапы. Ширина электронно-дырочного перехода и его барьерная емкость зависят от приложенного к нему напряжения. Варикап - это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением ёмкости. Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к р-п переходу. Его емкость меняется в широких пределах, а ее значение определяется формулой

, где C(0) - емкость при нулевом напряжении на диоде; φ_o - контактная разность потенциалов; U- приложенное обратное напряжение; n= 2 для резких переходов, n = 3 для плавных переходов;

Эвивалентная схема варикапа (а) и его условное обозначение (б): r_пер - сопротивление запертого р-п перехода; L_в - индуктивность выводов;r_б- омическое сопротивление базы.

Основными параметрами варикапов (рис.2.5) являются: общая емкость С_в - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; коэффициент перекрытия по емкости К_с = С_{в max}/C_{в min}; сопротивление потерь r_n - суммарное активное сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов; добротность Q_в - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном обратном напряжении Q_в=X_c/r_n ;температурный коэффициент a_c - отношение относительного изменения емкости к изменению температуры, a_c =dC_в/(С_в dТ).

Туннельные диоды. Туннельным называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-п -переход и вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На ВАХ туннельного диода (рис.2.6) можно выделить три участка: участок 0 - 1 соответствует U<U₁ и ток определяется дрейфом носителей заряда через р-п -переход; участок 1- 2, имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризуется в основном туннельным током; участок 2 - 3 характеризуется диффузионным током. Для получения туннельных диодов используют материалы с очень высокой концентрацией примесей в р- и п-областях. В итоге энергетические уровни примесных атомов расщепляются в зоны, которые перекрываются с соответствующими основными зонами областей р и п.

ВАХ туннельного диода (а) и его условное изо­бражение (б)

Основные параметры: ток максимума I_max ;ток минимума I_min ; напряжения, соответ­ствующие I_max - U₁; I_min - U₂; наибольший прямой ток и напряжение, соответствующее ему; наибольший обратный ток и соответствующее ему напряжение; емкость диода. Туннельные диоды используют в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия и генераторах порядка 1000 МГц, туннельный эффект не инерционен.

Ф отодиоды - это полупро­водниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Конструктивно фотодиод выполнен следующим образом: кристалл п -типа, в котором в одной из граней созидается область р -типа. Области имеют выводы. Вся система заключается в корпус, в котором имеется окошко, пропускающее световой поток.

Условное изображение фотодиода .

При отсутствии освещенности ВАХ фотодиода имеет такой же вид, как ВАХ обычного диода. Обратный ток фотодиода при отсутствии о свещенности называется тепловым током. Рис.2.9. Работа фотодиода в преобразовательном

Режиме. При действии светового потока в базе диода происходит световая генерация подвижных носителей заряда. Образуются пары таких носителей: электрон - дырка, что приводит к росту концентрации неосновных носителей. Приращение обратного тока за счет воздействия светового потока называется фототоком.

Режим работы фотодиода при дей­­­ствии на него обратного напряжения на­зывается преобразовательным ре­жи­­мом работы. Это режим характери­зу­ется параметрами левой полуплос­ко­сти графика ВАХ фотодиода (рис.2.10.).

В АХ фотодиода.

Аналитическое выражение ВАХ фотодиода: .Если подается обратное напряжение U<0, то I→(-I_o-I_ф). Если разомкнуть внешнюю цепь и подвергнуть фотодиод световому воздействию, то I=0. Под действием внутреннего поля р-п-перехода неосновные носители будут переходить в р-область, а основные - в п-область, образуя отрицательные заряды. На выводах фотодиода возникает разность потенциала, которая называется фотоЭДС.

Условное обозначение фотодиода

Чем больше световой поток, тем боль­ше величина фотоЭДС. Под действием светового потока создается фототок, а за счет него и возникает фотоЭДС, создающая ток I=I_ф, но

, .

Фотодиод в генераторном режиме

Р ежим работы при отсутствии источника во внешней цепи называется генераторным (рис.2.12). Если это генератор, то можно подключать нагрузку. Ток, протекающий через нагрузку, создает падение напряжения на ней. Падение напряжения на нагрузке приводит к уменьшению прямого тока через фотодиод. Результирующая разность потенциалов между анодом и катодом уменьшится. Чем меньше будет сопротивление нагрузки, тем больше по абсолютной величине будет обратный ток, протекающий через фотодиод, и тем меньше будет напряжение на нагрузке. Преобразовательный режим имеет практически линейную характеристику.

Энергетическая характеристика фотодиода

Фотодиод неодинаково реагирует на светоизлучение с различной длиной вол­ны. Эта зависимость изображается спек­тральной харак­теристикой (рис.2.14).

Спектральная характеристика фотодиода

Чувствительность фотодиода харак­теризуется формулой S=dI_ф/dF.

Фотодиоды имеют применение в качестве преобразователя оптического сигнала в электрический, в качестве датчиков светового потока, в качестве приемников информации, передаваемой по оптическим каналам.

Светодиод - это полупроводниковый диод, служащий для преобразования электрического сигнала в оптический.

Конструктивно похож на фотодиод: прозрачный кристалл п -типа, являющийся базой, на нем создается область р -типа, а также оптическая система, через которую идет излучение (рис.2.15).

К онструкция (а) и условное изображение светодиода (б)

Светодиоды изготавливают на основе обычных р-п-переходов, в качестве исходного материала применяется карбид кремния, арсенид галлия или фосфид галлия.

ВАХ светодиода имеет такой же вид, как и ВАХ обычного диода с той особенностью, что прямое падение напряжения на светодиоде может составить несколько вольт.

При включении светодиода в прямом направлении происходит перенос неосновных носителей из одной области в другую с последующей рекомбинацией. Тут рекомбинационные электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие. Избыток энергии излучается в виде светового луча.

. 2.16. Яркостная характеристика светодиода

Зависимость яркости от прямого тока изо­бражается яркостной характеристикой. Кроме того, светодиод излучает свет не одной и той же длины волны, что отражается спектральной характеристикой (рис.2.17). Яркость различных волн различна.

Д иапазон излучений световых волн может находиться от инфракрасного до ультрафиолетового спектра (рис.2.17). Светодиоды применяются в устройствах индикации и устройствах отображения информации.

Рис. 2.17. Спектральные характерист светодиода

П рямой ток светодиода имеет опреде­ленное допустимое значение. Сопротивление нагрузки подключают для ограничения прямого тока (рис.2.18).

Рис. 2.18. Включение светодиода в электрическую цепь

Диодные оптроны представляют собой приборы, содержащие преобразователь электрического сигнала в оптический или преобразователь оптического сигнала в электрический, служащие приемниками, между которыми существует оптический канал связи.

Рис.2.19. Диодный оптрон

Особенностью такой системы является то, что выходная цепь электрически изо­лирована от входной цепи.

Применяется в тех случаях, когда требуется передать сигнал из одной цепи в другую, не допуская электрической связи между этими цепями.

Оптроны целесообразно применять в тех устройствах, где не допускается влияние выходной цепи на входную, т.е. не допускается обратная связь. Оптроны могут применяться в качестве устройства согласования источника сигнала и устройства обработки информации.

6 Одно- и двухполупериодные схемы получения постоянного напряжения из переменного. Временные диаграммы, RC-фильтры для сглаживания пульсаций.

Однополупериодная схема выпрямления. Рассмотрим простейший однополупериодный выпрямитель с активной нагрузкой (рис.10.1) . В этой схеме последовательно со вторичной обмоткой трансформатора включены диод и активное сопротивление. Во время положительного полупериода диод проводит ток и падение напряжения на нем незначительное. При этом напряжение на нагрузке практически повторяет напряжение U₂. Во время отрицательного полупериода диод закрыт и ток через нагрузку практически равен нулю. В цепи диода протекают импульсы тока одного направления. На сопротивлении нагрузки образуются импульсы напряжения полусинусоидальной формы.

Двухполупериодная схема со средней точкой (или нулевым выводом) состоит из трансформатора Тр с выводом от середины вторичной обмотки, двух диодов VD1 и VD2. Схема представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку R_н. В первый полупериод, когда потенциал точки а является положительным, а потенциал точки в отрицательным относительно точки 0 , ток протекает через диод VD1 и нагрузку R_н . Диод VD2 в это время находится под обратным напряжением и не пропускает ток. В следующий полупериод, когда потенциал точки а становится отрицательным, а в положительным, ток течет через диод VD2 и нагрузку R_н . Диод VD1 в это время находится под обратным напряжением и не пропускает тока. Таким образом, ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении в каждый из полупериодов питающего напряжения.

RC-фильтры для сглаживания Г - образные Используются с целью упрощения и уменьшения габаритов схемы.

Через R_ф протекает суммарный ток I_н и I_c - постоянная и переменная составляющие. Падение напряжения на R_ф фильтре будет обусловлено постоянной и переменной составляющими. В результате постоянная составляющая на выходе будет меньше постоянной составляющей на входе. На R_ф будет выделяться значительная активная мощность, соизмеримая с P_н.

Но при малых токах и малых мощностях допускается излишний расход энергии.

.

7 Стабилизация постоянного напряжения. Параметрический стабилизатор – схема, методика расчёта.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Параметрический стабилизатор постоянного напряжения. Стабилизатор состоит из стабилитрона и гасящего резистора Rг (см. рисунок).

По I и II законам Кирхгофа

Подставим в эту формулу уравнения (8):

Поскольку и , то |   

     Кст увеличивается при уменьшении rст и увеличении Rг. Но при увеличении Rг нужно увеличивать Uвх. Поэтому нельзя получить очень высокий Кст. Обычно Кст не превышает нескольких десятков. Существует предельно достижимый для данного стабилитрона коэффициент стабилизации , где . Но при увеличении Rг возрастает Rг и потери мощности, снижается КПД:     , что объясняется значительными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стабилитроне. Поэтому простую схему со стабилитроном применяют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих очень малую мощность.

8 Последовательный стабилизатор напряжения – с постоянным и регулируемым выходным напряжением.

Классическая принципиальная схема последовательного стабилизатора напряжения приведена на рис. 6.27.

1 – источник стабилизируемого напряжения; 2 – регулирующий элемент; 3 – усилитель ошибки (УПТ); 4 – источник опорного напряжения; 5 – элемент измерения выходного напряжения; 6 – нагрузка стабилизатора. Регулирующий элемент (2) играет роль переменного резистора, включённого последовательно с нагрузкой стабилизатора (6). При изменении напряжения на сопротивлении нагрузки меняется сопротивление регулирующего элемента таким образом, чтобы скомпенсировать эти изменения. Воздействие на регулирующий элемент осуществляется через цепь обратной связи, содержащей управляющий элемент (3), источник опорного напряжения (4) и элемент для измерения стабилизирующего напряжения (5). Элемент (5) представляет собой потенциометр (делитель), с которого снимается часть выходного напряжения. Отрицательная обратная связь регулирует выходное напряжение, используемое для питания нагрузки таким образом, чтобы выходное напряжение потенциометра равнялось опорному напряжению. Отклонение этого напряжения от опорного вызывает большее или меньшее падение напряжения на регулирующем элементе, следовательно, элементом измерения напряжения можно в некоторых пределах регулировать выходное напряжение. Если стабилизатор выполняется на фиксированное напряжение, то элемент измерения напряжения выполняется внутри ИМС с температурной компенсацией. Если выходное напряжение имеет широкий диапазон, то элемент измерения выполняется вне ИМС.

9 Операционный усилитель – назначение, свойства. Построение инвертирующего усилителя – схема, вывод формулы выходного напряжения, выходная и амплитудно-частотная характеристики.

ОУ называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзи­сторы и некоторые другие электронные элементы. Требования: входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, и, следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю. Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +Е_п и –Е_п. Положительное и отрицательное напряжения питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов. Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле U_вых=(U_вх1-U_вх2)К , где К → ∞ – коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U_вых=-U_вх2К, а для неинвертирующего U_вых=U_вх1К. Разностное напряжение (U_вх1-U_вх2)=U_диф – называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Инвертирующий усилитель

Р ис.5.3. Схема инвертирующего усилителя. Выражение для коэффициента схемы усиления определяется, исходя из следующих соображений. Поскольку неинвертирующий вход заземлён, его потенциал равен нулю. Тогда в соответствии с правилом 1 потенциал инвертирующего входа (точка а) также равен нулю (так называемая виртуальная земля). В соответствии с первым законом Кирхгофа с учётом правила 2 можно записать

I_вх = I₀ . (5.2). В соответствии с законом Ома для участка цепи имеем и . Поскольку потенциал т. а равен нулю на основании положения правила 1, то подстановка выражений для токов в (5.2) даёт , откуда получим . Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал и коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен .

Н еинвертирующий усилитель.

Здесь представлена вторая базовая схема на ОУ – неинвертирующий усилитель. По правилу 2 ток I₀ должен течь через резисторы R₀ и R_вх на землю, не ответвляясь на ОУ, поэтому можно записать . Согласно правилу 1, на инвертирующем входе также действует входное напряжение U_вх, поэтому . Теперь можем записать, что . Откуда получим

Следовательно, рассмотренная схема входной сигнал не инвертирует, её коэффициент усиления положителен и всегда больше или равен единице. Входное сопротивление схемы близко к бесконечности. Ввиду того, что сопротивление проводников, обеспечивающих подсоединение резисторов в схемах усилителей, отлично от нуля, то для исключения их влияния на величины коэффициентов передачи следует номиналы резисторов R_вх и R₀ устанавливать в несколько кОм.

Усилитель с единичным коэффициентом усиления. Если в неи нвертирующем усилителе положить R_вх равным бесконечности (разорвать эту цепь), а R₀ установить равным нулю, то мы придём к схеме, изображённой на рис. Согласно правилу 1, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению U_вх. С другой стороны, инвертирующий вход соединён с выходом схемы. Следовательно, U_вых = U_вх, то есть выходное напряжение повторяет входное.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада электронной схемы от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов. Она используется в качестве входного каскада при работе электронных схем с маломощными датчиками неэлектрических величин.

10 Неинвертирующий усилитель – схема, вывод формулы выходного напряжения, выходная характеристика. Усилитель с единичным коэффициентом усиления.

ОУ называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзи­сторы и некоторые другие электронные элементы. Требования: входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, и, следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю. Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +Е_п и –Е_п. Положительное и отрицательное напряжения питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов. Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле U_вых=(U_вх1-U_вх2)К , где К → ∞ – коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U_вых=-U_вх2К, а для неинвертирующего U_вых=U_вх1К. Разностное напряжение (U_вх1-U_вх2)=U_диф – называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Инвертирующий усилитель

Р ис.5.3. Схема инвертирующего усилителя. Выражение для коэффициента схемы усиления определяется, исходя из следующих соображений. Поскольку неинвертирующий вход заземлён, его потенциал равен нулю. Тогда в соответствии с правилом 1 потенциал инвертирующего входа (точка а) также равен нулю (так называемая виртуальная земля). В соответствии с первым законом Кирхгофа с учётом правила 2 можно записать

I_вх = I₀ . (5.2). В соответствии с законом Ома для участка цепи имеем и . Поскольку потенциал т. а равен нулю на основании положения правила 1, то подстановка выражений для токов в (5.2) даёт , откуда получим . Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал и коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен .

Н еинвертирующий усилитель.

Здесь представлена вторая базовая схема на ОУ – неинвертирующий усилитель. По правилу 2 ток I₀ должен течь через резисторы R₀ и R_вх на землю, не ответвляясь на ОУ, поэтому можно записать . Согласно правилу 1, на инвертирующем входе также действует входное напряжение U_вх, поэтому . Теперь можем записать, что . Откуда получим

Следовательно, рассмотренная схема входной сигнал не инвертирует, её коэффициент усиления положителен и всегда больше или равен единице. Входное сопротивление схемы близко к бесконечности. Ввиду того, что сопротивление проводников, обеспечивающих подсоединение резисторов в схемах усилителей, отлично от нуля, то для исключения их влияния на величины коэффициентов передачи следует номиналы резисторов R_вх и R₀ устанавливать в несколько кОм.

Усилитель с единичным коэффициентом усиления. Если в неи нвертирующем усилителе положить R_вх равным бесконечности (разорвать эту цепь), а R₀ установить равным нулю, то мы придём к схеме, изображённой на рис. Согласно правилу 1, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению U_вх. С другой стороны, инвертирующий вход соединён с выходом схемы. Следовательно, U_вых = U_вх, то есть выходное напряжение повторяет входное.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада электронной схемы от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов. Она используется в качестве входного каскада при работе электронных схем с маломощными датчиками неэлектрических величин.

11 Обратная связь и усилители с конечным усилением. Входной импеданс, выходной импеданс.

12 Сумматор – схема, вывод формулы выходного напряжения. Построить схему для моделирования зависимости – U_вых = 0.5U₁ + 0.25U₂ + 0.8U₃ – 0.4U₄ .

Инвертирующий усилит ель может суммировать несколько входных напряжений. Каждое входное напряжение соединяется с инвертирующим входом ОУ через отдельный резистор. В этом случае инвертирующий вход принято называть суммирующей точкой, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Принципиальная схема сумматора представлена на рис. Из равенства нулю напряжения на инвертирующем входе ОУ и нулевого значения входного тока усилителя следует и , , … .

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то . После соответствующих подстановок получаем. К i - коэффициент передачи сумматора по i-му входу.

,где -

Резистор R₀ влияет на все коэффициенты передачи в схеме, а резисторы R₁, R₂, …R_n определяют индивидуальные значения весовых коэффициентов для соответствующих каналов ввода суммируемых напряжений. Кстати, входное сопротивление сумматора по i-му входу практически совпадает с соответствующим R_i. При построении схем на реальных ОУ необходимо обеспечить, исходя из общей теории их работы, равенство проводимости цепей, подключённых к обеим входным клеммам усилителя,. Из этого условия к неинвертирующему входу ОУ должен подключаться резистор соответствующего номинала, соединённый вторым своим выводом с землёй.

13 Интегратор – схема, вывод формулы выходного напряжения.

Для схемы интегратора тока (рис.5.7,а) можно записать уравнения i_вх=i_с, , откуда получаем значение выходного напряжен . вывод формулы!!!!!!

Рис. 5.7. Схемы интегратора тока (а) интегратора напряжения (б) на дифференциальном ОУ.Аналогично, можно записать для интегратора напряжения (рис.5.7, б) значение выходного напряжения, если учесть, что i_вх=U_вх/R,

.Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др., обеспечивая необходимый вид реализуемой функции.

14 Компаратор – назначение, схема, работа.

Компараторы - интегральные микро­схемы, предназначенные для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U¹_вых всякий раз, когда разность напряжений между его неинвертирующим и инвертирующим сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, то выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю U⁰_вых. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющегося входного сигнала U_вх на его инвертирующем входе с опорным сиг­налом U_оп на неинвертирующем. Выходное напряжение U_вых - диск­ретный или логический сигнал, определяемый соотношением (6.1):

6.1 . Она состоит из входного дифференциального каскада ДК, устройства смещения уровней и выходной логики.

Р ис.6.2. Упрощённая структурна схема компаратора

Входной дифференциальный каскад формирует и обеспечивает основное усиление разностного сигнала. Помимо этого он позволяет осуществлять балансировку выхода при помощи внешнего подстроечного резистора и корректировку напряжения смещения нулевого уровня в пределах 1=2 мВ, возникающего в дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода. Рис.6.3. Передаточная характеристика компаратора без гистерезиса (а) и с гистерезисом (б).

Г истерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния U⁰_вых в состояние U¹_вых происходит при входном напряжении U_вх1, а возвращение из U¹_вых в U⁰_вых – при напряжении U_вх2 (рис.6.3,б). Разность U_вх1-U_вх2=U_г называется напряжением гистерезиса. Появление гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обратной связи, которая позволяет устранить дребезг U_вых при U_вх=0. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределённости, внутри которой невозможно установить значение U_вх.

U_вх=-10В, отсюда U_вых=К(5-(-10))=15К=+E_п ;

U_вх=-5В, отсюда U_вых=К(5-(-5))=10К=+E_п ;

U_вх=0В, отсюда U_вых=К(5-0)=5k=+ E_п ;

U_вх=4,9В, отсюда U_вых=К(5-(4,9))=0,1k=+ E_п ;

U_вх=5,1В, отсюда U_вых=К(5-5,1)=-0,1k=- E_п ;

U_вх=10В, отсюда U_вых=К(5-10)=-5k=- E_п ;

U_вх=15В, отсюда U_вых=К(5-15)=-10k=- E_п .

Р ис.6.6. Выходная характеристика компаратора по рис.6.5

Из приведённого расчёта и графика видно, что пока U_оп>U_вх, выходное напряжение компаратора остаётся постоянным и равным +Е_п. В диапазоне изме­нения U_вх от 4,9В до 5,1В происходит изменение знака разности U на входе операционного усилителя, что вызывает изменение знака выходного напряжения, которое далее остаётся постоянным и равным –Е_п.

15 Прецизионные выпрямители – назначение, схема, работа.

Однополупериодных выпрямителей, приведенные на рис. 5.9, отличаются друг от друга передаваемой волной входного сигнала (положительной или отрицательной) и знаком коэффициента передачи (инвертирующие и неинвертирующие). Неинвертирующие однополупериодные выпрямители

(рис.5.9)имеют более высокое входное сопротивление, чем инвертирующие. В инвертирующем выпрямителе диод VD₁ открывается на соответствующей полуволне сигнала, обеспечивая его передачу на выход с коэффициентом, определяемым отношением резисторов R₁ и R₂ (R₁=R₂=10кОм). Диод VD₂ (R_VD50 Ом) смещен при этом в обратном направлении. Противоположная фаза напряжения на выходе инвертирующего усилителя замыкает через VD₂ цепь обратной связи, обеспечивая почти нулевую величину коэффициента передачи усилителя ( 0). Неинвертирующий выпрямитель при передаче пропускаемой полуволны работает примерно также, однако их функционирование в режиме отсечки существенно различается. Как в инвертирующем, так и в неинвертирующем выпрямителях диод VD₂ введен для повышения их быстродействия. Если убрать этот диод, то в режиме отсечки ОУ входит в состояние насыщения. При переходе в режим пропускания ОУ сначала должен выйти из состояния насыщения и далее увеличивать выходное напряжение до уровня открывания диода VD₁. Введение диода VD₂ предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при смене полярности входного сигнала. В неинвертирующей схеме диод VD₂ обеспечивает ограничение выходного напряжения ОУ путем замыкания его выхода на землю, поэтому ОУ должен допускать короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени. Кроме того, в неинвертирующей схеме операционный усилитель должен иметь большое допустимое дифференциальное входное напряжение и малое время восстановления из режима ограничения выходного тока. Существенным недостатком представленных выше схем является их высокое выходное сопротивление, имеющее, к тому же, нелинейный характер. Двухполупериодные выпрямители. Наиболее просто реализуются прецизионные двухполупериодные выпрямители с незаземленной нагрузкой, например, стрелочным миллиамперметром. Схема такого устройства приведена на рис.5.10. Здесь операционный усилитель служит в качестве управляемого по напряжению источника тока. Поэтому выходной ток не зависит от падения напряжения на диодах и сопротивления нагрузки R_н. М остовая схема выпрямляет обе полуволны входного сигнала, при этом выпрямленный ток протекает через нагрузку: I_вых=|U_вх|/R .

Рис.5.10 Эта схема не требует согласования резисторов и имеет высокое входное сопротивление. Лучшие характеристики имеет схема, приведенная на рис.5.11, в которой применено инвертирующее включение операционных усилителей. Схема включает сумматор на ОУ₂ и однополупериодный выпрямитель на ОУ₁ (см. левую нижнюю схему на рис.5.9).

Прежде всего рассмотрим принцип работы ОУ₁. При положительном входном напряжении он работает как инвертирующий усилитель. В этом случае напряжение U₂ отрицательно, т.е. диод VD₁ проводит, а VD₂ закрыт, поэтому U₁ = –U_вх. При отрицательном входном напряже- нии U₂ положительно, т.е. диод VD₁ закрыт, а VD₂ проводит и замыкает цепь отрицательной обратной связи усилителя, которая препятствует насыщению усилителя ОУ1 (коэффициент усиления полуволны около нуля. Рис. 5.11. Схема выпрямителя, в которой ОУ работают в линейном режиме.

Поэтому точка сум­мирования остается под нуле­вым потенциалом. Поскольку диод VD₁ закрыт, напряжение U₁ также равно нулю. Справедливы соотношения: Подключение сумматора на ОУ₂ обеспечивает двухполупериодное выпрямление. Сумматор формирует напряжение U_вых = –(U_вх + 2U₁), и

Это и есть искомая функция двухполупериодного выпрямителя.

Достоинством рассмотренной схемы является равное входное сопротивление для разных полярностей входного сигнала и отсутствие синфазного напряжения на входах усилителей.

16 Генератор прямоугольных импульсов – назначение, схема, работа.

Г енератор колебаний прямоугольных импульсов – это схема, используемая в вычислительной технике для получения сигнала, синхронизирующего работу отдельных частей всей вычислительной системы. Он работает как автоколебательный ключ, непрерывно переключающийся взад и вперёд между двумя уровнями постоянного напряжения без использования внешнего сигнала запуска. График показывает изменение выходного напряжения. Частота колебаний здесь равна 1/ Т.

На рис представлена схема генератора прямоугольных колебаний, в котором в качестве переключающего устройства используется ОУ. Источники питания +Vи.п. и -Vи.п. задают амплитуду выходного напряжения с крутыми передними и задними фронтами импульсов. Период колебаний определяется формулой

Т = 2RC ln (1+ 2R1/R2 ), где RC –постоянная времени схемы. Для того чтобы понять, как работает генератор, предположим, что положительная обратная связь ввела усилитель в насыщение с положительным напряжением на выходе, так что Vвых = +Vи.п.. В этом состоянии напряжение на неинверсном входе V+=R1Vи.п./(R1+R2). Напряжение на инверсном входе будет нарастать по экспоненте в направлении к +Vи.п. с постоянной времени RC. При V- = V+ схема переключится из состояния с положительным выходом (+Vи.п.) в состояние с отрицательным выходом (-Vи.п. ) .В этом новом состоянии V+ = - R1Vи.п./(R1 + R2) . Однако конденсатор С препятствует мгновенному изменению уровня V-. Схема остаётся в состоянии с отрицательным выходом до тех пор, пока V- не станет равным V+ . При V- = V+ напряжение на выходе вновь переключится на +Vи.п., и цикл повторяется. Отметим, что положительная обратная связь подводится к неинвертирующему входу через R1 и R2. Чтобы гарантировать соответствующее переключение, общий коэффициент усиления по напряжению этой цепи усилителя должен превышать 1.

17 Генератор колебаний треугольной формы. Примеры практического использования.

Г енератор треугольных колебаний можно получить, подав выход с генератора прямоугольных колебаний на вход интегратора. Схема, реализующая генерацию импульсов прямоугольной и треугольной формы, изображена на рис. 13.3. Первый генератор собран на усилителе DA1, а генератор импульсов треугольной формы собран на усилителе DA2. Оба генератора должны работать синхронно на одной и той же частоте, поэтому каждый из них содержит одинаковые времязадающие цепочки - из переключателя П1, конденсаторов С1, С2 и резистора R3 для генератора прямоугольных импульсов и соответственно из переключателя П2, конденсаторов С3, С4 и резистора R4 для генератора треугольных импульсов. Номиналы элементов установлены одинаковыми.

18 Логические элементы для реализации функций И, ИЛИ на базе диодов и резисторов.

Простейшие логические элементы (ЛЭ) строятся на основе диодов и резисторов. Реализуемые с их помощью логические операции зависят от типа логики. При положительной логике схема, приведенная на рис. 7.1, а, позволяет реализовать функцию логического умножения, а схема на рис. 7.1, б – функцию логического сложения. При отрицательной логике с помощью схемы (см. рис. 7.1, а) реализуется функция логического сложения, а схемы на рис. 7.1, б – функция логического умножения.

Диодно-резисторная логика, операции «И» (а) и «ИЛИ» (б). Действительно, если считать, что Е=+5 В и входные напряжения могут принимать значения +5 и 0 В, то, если хотя бы к одному из входов Х₁, Х₂, Х₃ (см. а) приложен сигнал 0, соответствующий диод открыт и на выходе схемы будет напряжение, близкое к 0 В. При положительной логике это соответствует коду «0». Если на все входы подано положительное напряжение, большее или равное Е, то все диоды закрыты и на выходе напряжение U_вых= +E, что при положительной логике соответствует коду «1». Следовательно, на выходе ЛЭ будет сигнал, соответствующий коду «1» только в том случае, если на все входы поданы сигналы логической единицы. По определению такой элемент выполняет логическую функцию И. При отрицательной логике уровень, близкий к 0 В, соответствует коду «1», а уровень +Е – коду «0». Если в этом случае на все входы подан уровень логического нуля, принятый выше за +5 В, то на выходе будет логический нуль (+Е). При подаче на любой из входов Х₁, Х₂, Х₃ напряжения 0 В соответствующий диод открывается и выходное напряжение становится близким к 0 В. Это соответствует коду логической единицы. Т.о, подача на любой из входов сигнала, соответствующего логической единице, приводит к появлению на выходе кода «1», что характеризует логический элемент ИЛИ.

19 Логические элементы диодно-транзисторного типа.

Недостатки простейших диодных ЛЭ (снижение выходного напряжения по отношению к входному за счет его падения на открытом диоде, нестабильность уровней выходных напряжений) устраняются введением электронного усилителя. Выходной сигнал имеет низкий уровень U⁰_вых при открытом транзисторе Q₃ и высокий U¹_вых в тех случаях, когда Q₃ заперт. Для открывания транзистора Q₃

Диодно-транзисторная логика, операция «И–НЕ»

необходимо, чтобы потенциал эмиттера Q₁ был больше напряжения стабилизации стабилитрона D₅. Для этого ко всем диодам D₁-D₄ должно быть приложено напряжение высокого уровня, при котором они будут заперты. При низком уровне любого из входных сигналов потенциал эмиттера транзистора Q₁ мал, ток через D₅ близок к нулю и транзистор Q₃ заперт. Микросхема позволяет реализовать функцию И–НЕ. На основе подобных ЛЭ выполняют высокопороговую логику.

20 Логические элементы на основе многоэмиттерного биполярного транзистора.

Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ) широко распространены из-за большого быстродействия, высокой помехоустойчивости, умеренного потребления энергии, хорошей нагрузочной способности и малой стоимости. Их особенностью является наличие на входе многоэмиттерных транзисторов (МЭТ), с помощью которых реализуется требуемая логическая функция. МЭТ является эквивалентом нескольких транзисторов, у которых выводы баз и коллекторов по отдельности объединены. На рис. 7.3 приведена схема базового ЛЭ серии ТТЛ, в которой МЭТ Q₁ выполнен в виде схемы замещения из четырех транзисторов ввиду отсутствия в элементной базе моделирующей программы многоэмиттерных транзисторов.

Рис. 7.3. Транзисторно-транзисторная логика, операция «И–НЕ». Если на один или на все эмиттеры МЭТ подано низкое напряжение (код «0» в положительной логике), то соответствующие эмиттерные переходы Q₁ будут открыты. Через них протекает базовый ток Q₁, замыкающийся на землю через источники входных сигналов Х₁, …, Х₄, которые имеют близкие к нулю внутренние сопротивления. Транзистор Q₁ находится в состоянии глубокого насыщения, и падение напряжения на нем близко к нулю, поэтому база Q₂ находится под низким потенциалом и транзистор Q₂ закрыт. Ток его эмиттера близок к нулю. Напряжение на базе Q₄ также близко к нулю, и он заперт. Напряжение на базе транзистора Q₃ близко к напряжению источника питания, поэтому Q₃ открыт, и высокий уровень напряжения питания подается на выход схемы. Этот высокий уровень напряжения соответствует коду «1». Если на все входы Х₁, …, Х₄ подан высокий уровень напряжения, то все эмиттеры Q₁ оказываются смещенными в обратном направлении и не пропускают электрический ток. Тогда ток потечет через коллекторный переход Q₁ и эмиттерный переход Q₂, открывая Q₂ и уменьшая потенциал его коллектора. Открывается транзистор Q₄. В итоге всех переключений транзистор Q₃ будет заперт, а транзистор Q₄ открыт. На выходе схемы напряжение будет определяться напряжением коллектора насыщенного транзистора Q₄. Это соответствует коду «0» в положительной логике. ЛЭ реализует функцию И–НЕ, так как код «0» появляется на выходе только тогда, когда на все входы Q₁ поданы коды логической единицы.

21 Логические элементы на основе комплементарных МОП-транзисторов.

Схемы на комплементарных транзисторах строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. В состоянии логической единицы верхний транзистор открыт, а нижний закрыт, на выходе — высокий потенциал. В состоянии логического нуля наоборот — открыт нижний транзистор, а закрыт верхний, на выходе потенциал, близкий к нулю В статическом состоянии ток в ключе отсутствует. Потребление тока происходит только во время переходных процессов. Этим током производится перезаряд паразитной ёмкости нагрузки. Простейший логический элемент — это инвертор (рис. 1).

Рис. 1.  Принципиальная схема инвертора

На рис. 2 показана конструкция (профиль) инвертора на КМДП-транзисторах.

Рис. 2.  Конструкция инвертора на КМДП-транзисторах

Схема логического элемента 2И-НЕ на КМДП транзисторах приведена на рис. 3.

Рис. 3.  Принципиальная схема элемента 2И-НЕ

В схеме рис. 3 на выходе будет низкий потенциал, если на оба входа поданы сигналы единицы (высокий уровень), так как оба p-МДП транзистора будут закрыты.

Логический элемент 2ИЛИ-НЕ (рис. 4), выполненный на КМДП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей. Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо будет закрыто и на выходе установится низкий потенциал.

Рис. 4.  Принципиальная схема элемента 2ИЛИ-НЕ

22 Биполярный транзистор. Структурная схема в кристалле. Схемы включения, работа, преимущества.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n-перехода. Технология изготовления этих приборов может быть различной - сплавление, диффузия, эпитаксия, что в значительной мере определяет их характеристики.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n- транзисторы и p-n-p-транзисторы. Упрощённое устройство плоскостного n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.1,а, его условное обозначение – на рис.3.1,б, а схема замещения – на рис.3.1,в. Аналогичные представления для p-n-p-транзистора приведены на рис.3.1,г, д, е.

Средняя часть рассматри­ваемых структур называется базой, одна крайняя область – коллектором, а другая – эмитте­ром. В зависимости от поляр­но­сти напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

Принцип работы p-n-p транзистора. В активном режиме работы транзистора эмиттерный p-n-p переход включается в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Особенностью полупроводникового транзистора является то, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерной и коллекторной областях на несколько порядков превышает концентрацию основных носителей в базе. Вторая особенность - малая ширина базы,

ко­­­торая соизмеряется с шириной запрещаю­щего слоя в эмиттерном и кол­лекторном p-n переходах.

Р ис.3.2. Структура биполярного транзистора

Процессы в эмит­тере транзистора. При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него будет протекать прямой ток, который обусловлен инжекцией дырок из эмиттера в базу (дырочная составляющая эмиттерного тока) и встречным движением электронов из базы в эмиттер (электронная составляющая эмиттерного тока).

I_э= I_эр + I_эn; I_эр >> I_эn .

Электронная составляющая замыкается через вывод базы и источник напряжения.

  - коэффициент инжекции. Его величину стремятся сделать как можно ближе к единице. Поэтому делают концентрацию дырок в эмиттере как можно больше по отношению к концентрации электронов в базе. Основная функция эмиттерного перехода - инжекция основных носителей (дырок) из эмиттера в базу.

Процессы в базе транзистора. Дырки, инжектируемые в базу, являются там неосновными носителями заряда. В результате инжекции начнет повышаться концентрация дырок в базе около эмиттерного перехода. Они будут стремиться диффундировать вглубь базы, и часть из них будет рекомбинировать с электронами (основными носителями). Нерекомбинированная часть в результате диффузии может достигать коллекторного перехода. Ширину базы делают меньше длины свободного пробега электронов, в результате время, необходимое для преодоления базы в результате диффузии, будет меньше, чем время жизни дырок. Недостаток электронов, пошедших на рекомбинацию дырок, восполняется через базовые выводы, и тем самым создается рекомбинационный базовый ток.

Дырки, достигшие границы коллекторного перехода, попадают в зону действия коллекторного перехода и переносятся в коллектор, тем самым, создавая дырочную составляющую коллекторного тока. Поскольку в базе рекомбинирует малое количество дырок, то дырочная составляющая коллекторного тока будет не намного меньше дырочной составляющей эмиттерного тока.

Схемы включения транзисторов. Биполярный транзистор имеет три вывода, поэтому в зависимости от того, какой вывод будет общим, различают несколько схем включения транзистора.

Схема включения транзистора с общей базой. Базовый вывод будет общим, как для входного, так и для выходного сигнала. В качестве входного напряжения - напряжение эмиттер-база, в качестве входного тока - ток эмиттера. Выходное напряжение - напряжение коллектор-база, выходной ток - ток коллектора.

Схема с общим эмиттером. U_вх = U_бэ; I_вх =I_б ; U_вых = U_кэ ; I_вых = I_к .

Схема с общим коллектором. U_вх=U_бк; I_вх= I_б ; U_вых= U_эк; I_вых = I_э .

Р азличные схемы включения транзисторов обладают различными усилительными свойствами и имеют разные характеристики.

Транзистор, включенный по схеме с общей базой .Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы, т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера. Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется: , при uк-б = const. Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ. Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.

включения транзистора с ОЭ . и выходная характеристика. дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (Rк = 0). Численно он равен: , при Uк-э = const. Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент ki всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается. Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение uб-э, а выходным - переменное напряжение на резике, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E2). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч. Важной характеристикой является входное сопротивление Rвх, которое определяется по закону Ома: и составляет обычно от сотен Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°.К достоинствам схемы ОЭ можно отнести удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например, в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Общий коллектор. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен ki, т. е. нескольким десяткам. В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

23 Функциональная схема передачи звукового сигнала по радиоканалу.

24 Полевые транзисторы. Структура МОП-транзисторов, работа, преимущества.

Это приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов (или электроны, или дырки), и управление током канала осуществляется с помощью электрического поля. Электроды, подключённые к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение управления, которое создаёт поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы: с уп­рав­ляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приведено на рис. 4.1,а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) показано на рис. 4.1,б.

Рис.4.1. Полевой транзистор: а – с изолированным затвором; б - с управляющим переходом

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiO₂. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежимо мал даже при повышенных температурах. При обеднённом канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащён носителями зарядов, то он называется встроенным.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной.

Рис.4.2. Схематичес­кие изображения поле­вых транзисторов с изолирован­ным затво­­ром. Штриховой (индуцированный канал) или сплошной (встроенный канал) линией. Исток и сток действуют как невыпрямляющие каналы, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращён к электроду истока.Принцип работы полевого транзистора U_зи1 = 0. В цепи протекает электрический ток, величина которого будет зависеть от U_си и от сопротивления канала. Этот ток называют начальным током стока.

U_зи2 < 0. В таком случае p-n переход между затвором и каналом будет смещаться в обратном направлении. Происходит увеличение запирающего слоя, распространяющегося в глубь канала. Поскольку в запирающем слое подвижные носители заряда отсутствуют, но эффект поперечного сечения канала уменьшается, сопротивление его возрастает и, как следствие, ток стока уменьшается. При некоторой величине напряжения на затворе можно достигнуть смыкания запирающих слоев, то есть канал перекроется. Это напряжение на затворе, при котором ток снижается до 0, называется напряжением отсечки, а зависимость I_с = l( U_зи ) отражается стоко-затворной характеристикой. СЗ характеристика, отражающая взаимосвязь I_с и U_зи, применяется для полевых транзисторов вместо входной характеристики, поскольку входная характеристика для полевых транзисторов не имеет смысла. Входной ток является тепловым током p-n перехода. От источника входного сигнала U_зи практически не потребляется ток входной цепью транзистора. Входное сопротивление полевого транзистора очень велико - порядка 1-10 МОм. Управление выходным током осуществляется с помощью напряжения на затворе. Полевой транзистор не потребляет мощность от источника входного сигнала - это его преимущество при работе с маломощными источниками.

Основным параметром, характеризующим усилительные свойства полевого транзистора, является крутизна СЗ характеристики. Чем круче идет СЗ характеристика, тем более чувствителен ток стока к изменению напряжения на затворе.

, где S- крутизна СЗ характеристики.

Крутизна СЗ характеристики полевых транзисторов измеряется в [mA/B], и для реальных транзисторов может иметь значение 1-10 mA/B.

Рис.4.9.Вых. характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Если полевой транзистор с управляющим p-n-переходом имеет затвор, обладающий электрическим контактом с каналом через обратно смещенный p-n переход, то в транзисторе с изолированным затвором затвор полностью изолирован от канала. Транзисторы с изолированными затворами делятся на два класса.

Транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом. Исходный кристалл полупроводника, в котором создаются все элементы транзистора, называется подложкой. В подложке методом диффузии создаются две области с противоположной по электропроводимости материалу под­ложки. Одна область играет роль истока, другая - стока. Между истоком и стоком создается канал проводимости n – типа (рис.4.10).

Рис.4.10.  Полевой транзистор с изо­­лированным затвором и встро­енным каналом

На поверхность кристалла над областью канала наносят слой диэлектрика(окисная пленка). На слой диэлектрика напыляют тонкий слой металла, который исполняет роль затвора. Транзисторы бывают типов МДП и МОП. Входное напряжение U_зи создает в канале поперечное электрическое поле. Если на затвор подать "минус", то электрическое поле будет пронизывать канал снизу вверх от p-области к затвору. Под действием этого электрического поля основные носители зарядов в канале - электроны будут вытесняться в подложку, что приведет к эффекту сужения канала, сопротивление канала при этом будет увеличиваться, а ток через канал уменьшаться. При достижении напряжения на затворе уровня напряжения отсечки ток через канал снизится до нуля.

Если поменять напряжение на затворе на "плюс", то произойдет изменение электрического поля, под действием которого дырки будут оттягиваться от границы с каналом и в области подложки, прилегающей к каналу. За счет ухода оттуда дырок происходит инверсия электропроводимости. Это приведет к увеличению эффективной ширины канала, сопротивление его уменьшится, ток будет возрастать.

Канал имеет исходную ширину и за счет падения напряжения по всей его длине происходит его сужение, и рост тока прекращается.

Транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом (рис.4.13).

Рис. 4.13.  Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом .

Отличие состоит в том, что канал между истоком и стоком искусственно не создается. Полярность U_си задаётся таким образом, чтобы основные носители заряда двигались от истока к стоку, входное напряжение подается между затвором и истоком.

Нарисовать из тетради!!!!

25 Комплементарные транзисторы, работа, преимущества.

Комплементарная пара -это пара транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но имеющих разные типы проводимостей. В биполярной технике — это транзисторы р-n-p и n-p-n. А в полевой — транзисторы с р- и n-каналом.

26 Структурная схема управления технологическим процессом средствами вычислительной техники.

27 Построение аналоговых ключей на базе МОП-структур. Аналоговый мультиплексор.

28 Цифро-аналоговый преобразователь. 2 варианта схемной реализации. Работа, метрология.

Предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Он применяется в системах передачи данных, в измерительных приборах и синтезаторах напряжения, при формировании изо­бра­жения на экране дисплеев, в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях.

1) последовательные ЦАП. а) ЦАП с широтно-импульсной модуляцией.

Н аиболее просто организуется цифро-ана­логовое преобразо­ва­ние в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (напр­и­мер, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего тай­мера /счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g=t_и/Т определяется соотно­ше­нием ,где n - разрядность преобразования, а N - преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя . . Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток - низкое быстродействие.

Б) ЦАП на переключаемых конденсаторах. Рас­­­­смотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения n-разрядного преобразования необходимы 2ⁿ временных квантов (тактов). Эта Схема последовательного ЦАП позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

В этой схеме емкости конденсаторов С₁ и С₂ равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С₂ разряжается ключом S₄. Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда а₀. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С₁ заряжается до опорного напряжения U_оп при а₀=1 посредством замыкания ключа S₁ или разряжается до нуля при а₀=0 путем замыкания ключа S₂. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S₁, S₂ и S₄ замыкается ключ S₃, что вызывает деление заряда пополам между С₁ и С₂. В результате получаем U₁(0)=U_вых(0)=(а₀/2)U_оп .

Пока на конденсаторе С₂ сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С₁ должна быть повторена для следующего разряда а₁ входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

. Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для n-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить устройство выборки и хранения УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2n квантов, что значительно мень­ше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

2) параллельные ЦАП а) ЦАП с суммированием весовых токов. Суммирование токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, при­чем должны суммироваться только токи разрядов, значения цифры в которых равны 1. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов. Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

Базовая структурная схема четырёхразрядного ЦАП. Суммирование весовых токов наиболее целесообразно выполнить с помощью операционного усилителя по рис.13.5. Здесь представлена ба­зо­вая структурная схема 4-разрядного ЦАП (так называемая схема на взвешенных резисторах). Четыре би­та, фиксируемые в регистре, управляют состоянием четы­рёх ключей и обеспечивают 16 различных комбинаций. ОУ включён по схеме сумма­­­­­­­­­­тора. При замыкании одного из ключей выходное напряжение ЦАП определя­ется произведением о пор­но­го напряжения U_оп на от­но­ше­ние сопротивлений резис­тора об­ратной связи ОУ к резистору матри­цы, находя­ще­му­ся в цепи данного ключа. Если, например, замкнут ключ, соответствующий старшему зна­чащему разряду СЗР регистра (при установке в триггере этого разряда логической 1), то выходное напряже­ние U_вых= – (R/2R)U_оп = –U_оп / 2. При ус­­тановке уровня сигнала 1 в разряде 1 по­лу­чим U_вых = –(R/8R) U_оп= –U_оп/8. Замыкание каждого следующего ключа (в направле­нии уве­ли­че­ния веса разрядов) вы­зывает прирост выходного напря­же­ния, вдвое превышаю­щий результат замыкания пре­дыдущего клю­ча. При замы­ка­нии нескольких ключей резуль­тирующее выход­ное напряжение опреде­ляется суммой вкладов от каж­дого замкнутого клю­ча. Например, при ус­­тановке логической 1 в разрядах 3 и 1 полу­ча­ем выходное нап­ря­жение U_вых= –(U_оп / 2 + U_оп / 8). Таким обра­зом, можно получить 16 раз­личных дискретных уров­ней выходного нап­ряжения, соответствующих 16 различным двоич­ным комбинациям на входе ЦАП. Соотношения сопротивлений ре­зис­­торов должны быть вы­держаны с высокой точ­ностью для обеспе­чения необходимой ли­нейности преобразования вход­ного кода в вы­ходное напряжение.

б) ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В данном слу­­­­чае весовые токи обеспечиваются транзистор­ными источниками то­ка, имеющими высокое динамическое сопро­тив­ление. Схема ЦАП на источ­никах тока.

В есовые токи фор­ми­ру­ются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT₀ и VT_н, в результате чего ток через VT₀ равен половине тока через VT₁. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзис­тора VT_оп и операционного усилителя ОУ₁, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора VT_оп принимает значение I_оп. Выход­ной ток для n-разрядного ЦАП

.

29 Аналого-цифровой преобразователь. Схема с динамической компенсацией. Работа, временные диаграммы, преимущества.

Ана­лого-циф­ровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопро­тивления, емкости и др.) в цифровой код.

АЦП с динамической компенсацией.

АЦП содержит компаратор напряжений, логический элемент И, двоично-десятичный счетчик и ЦАП. Ко входу АЦП приложено аналоговое напряжение. Компаратор «проверяет» величину напряжения, получающегося от ЦАП. Если аналоговое входное напряжение на входе А компаратора больше напряжения на входе В, разрешается прохождение тактовых (счетных) импульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате постепенно увеличивается цифровой сигнал (двоичное число) на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи с выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Рассмотрим более подробно работу АЦП. Предположим, что на выходе компаратора в точке Х действует уровень логической 1. Пусть двоично-десятичный счетчик находится в состоянии 0000 и к аналоговому входу АЦП приложено напряжение 0,55 В. Логическая 1 в точке Х «открывает» логический элемент И, и первый импульс от тактового генератора появляется на синхронизирующем входе счетчика. Счетчик переходит в состояние 0001. Двоичная комбинация 0001 появляется на индикаторе и эта же двоичная комбинация подается на входы ЦАП. Двоичному числу 0001 на выходах ЦАП соответствует сигнал 0,2 В на выходе. Это напряжение подается на вход В компаратора. Компаратор сравнивает сигналы, поступившие на его входы (0,55 и 0,2 В). Напряжение на входе А больше, поэтому компаратор вырабатывает на выходе сигнал логической 1. Логическая 1 «удерживает» элемент И в открытом состоянии, и он пропускает следующий тактовый импульс к счетчику. Содержимое счетчика увеличивается на 1 и на его выходах появляется двоичная комбинация 0010, которая подается на входы ЦАП. На выходе ЦАП будет сигнал 0,4 В, поэтому на выходе компаратора остается сигнал логической 1. Логический элемент И по-прежнему открыт и с приходом очередного тактового импульса содержимое счетчика увеличивается до 0011. На выходе ЦАП появляется сигнал 0,6 В, который подается на вход В компаратора. Теперь напряжение на входе В компаратора больше напряжения на входе А и компаратор вырабатывает на выходе сигнал логического 0. Логический 0 «запирает» логический элемент И, и теперь тактовые импульсы не могут попасть на вход счетчика. Таким образом счетчик останавливается на двоичном числе 0011. Значит, аналоговому входному сигналу, равному 0,55В, соответствует двоичное число 0011.

Из приведенного примера видно, что для преобразования аналогового сигнала напряжения в двоичный цифровой сигнал требуется некоторое время. Однако в большинстве случаев частота следования тактовых импульсов достаточно высока, так что временная задержка не имеет существенного значения.

АЦП двухтактного интегрирования Работу этой схемы можно разделить на три такта. (график процесса преобразования). В первом такте производится заряд интегратора, во втором - его разряд, а в третьем коррекция нулевого уровня интегратора. В первом такте, имеющем фиксированную длительность То, замк­нут ключ S_l, а остальные ключи разомкнуты. В этом случае входное напряжение u_вх через зам­кнутый ключ S_l и сопротивление R₁ заряжает емкость С₁ интегратора, и выходное напряжение растет линейно во времени, как показано на рис.14.9,б. К. концу ин­тервала То напряжение на выходе интегратора будет равно

. где k =R₁C₁^-1-постоянная времени интегратора,U_вх - среднее значение входного напряжения:

Во втором такте происходит разряд интегратора. При этом в зависимости от требуемой полярности источника опорного напряжения, которая всегда противоположна полярности u_вх, замыкается один из клю­чей S₂ или S₃. Разряд интегратора происходит с постоянной скоростью, которая не зависит от накопленного в интеграторе заряда, поэтому с увеличением накоп­ленного заряда время разряда также увеличивается. Конец разряда интегратора фиксируется компаратором K, после чего ключ S₂ (или S₃) размыкается.

Поскольку начало разряда определяет схема управления, а конец - компара­тор, то длительность разряда интегратора можно определить по формуле:

,откуда или , что свидетельствует о пропорциональности интервала Т_х среднему значению входного напряжения U_вх. Заполнение интервала Т_х счетными импульсами, по­ступающими от схемы управления, позволяет найти числовой код N = T_xf₀ .

К достоинствам интегрирующих АЦП следует отнести их высокую помехоза­щищенность. Если на входной сигнал наложена гармоническая помеха, то при равенстве периода помехи времени заряда интегратора T_п=Т₀ среднее значение помехи к концу интервала интегрирования будет равно нулю, как показано пунктирной линией на рис.14.9,б. Случайные помехи и шумы также ослабляются интег­риро­ванием, хотя и в меньшей степени.

На третьем этапе производится коррекция нулевого уровня интегратора. Для этого замыкаются ключи S₄ и S₅, а о стальные ключи раз­мыкаются. Так как вход интегратора через сопротивление R₁ соединен с общей шиной, то конденсатор С₂ через замкнутый ключ S₅ заряжается до напряжения ошибки, которое после раз­мыкания ключей S₄ и S₅ вычитается из входного сигнала.

К недостаткам таких интегрирующих АЦП относится, прежде всего, сравни­тельно невысокое быстродействие. Кроме этого, при перегрузке АЦП большим входным сигналом происходит перезаряд интегрирующего конденсатора C₁, по­этому после снятия перегрузки в течение нескольких циклов АЦП будет работать с большой погрешностью.

30 Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием. Работа, временные диаграммы, преимущества.

31 Устройство выборки и хранения. Назначение, схемные решения, работа.

Устройство выборки и хранения (англ. sample and hold circuit) в электронике — схема, запоминающая напряжение на входе в определённый момент времени. Является компонентом большинства аналого-цифровых преобразователей.

Устройство

Устройство выборки и хранения имеет аналоговый вход, аналоговый выход и цифровой управляющий вход. Запоминающим элементом в устройстве выборки и хранения является конденсатор. Для его включения и отключения от входной цепи используется электронный ключ. Для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивления используются усилители.

[Править]Алгоритм работы

Устройство выборки и хранения может работать в одном из двух режимов, в зависимости от напряжения на управляющем входе:^[1]

• режим слежения (англ. track mode)

• режим хранения (англ. hold mode)

В режиме слежения выходной сигнал устройства выборки и хранения совпадает со входным. В режиме хранения напряжение на выходе устройства постоянно и равно напряжению на входе устройства в момент его переключения в режим хранения.

Иногда различают устройство выборки и хранения (англ. sample and hold circuit) и устройство слежения и хранения (англ. track and hold circuit). Единственная разница между ними заключается в способе применения: в первом случае ключ замыкается на минимальное время, достаточное для зарядки конденсатора; во втором случае ключ замкнут на протяжении довольно длительного времени.^[2]

[Править]Применение

Для правильной работы большинства схем аналого-цифрового преобразования требуется, чтобы входное напряжение в течение некоторого времени (время преобразования) оставалось постоянным. Поскольку входной сигнал в течение времени преобразования может меняться, его фиксируют с помощью устройства выборки и хранения.

Чаще всего устройство выборки и хранения реализуется на одном кристалле с АЦП, однако существуют и отдельные микросхемы, выполняющие эту функцию.

32 Тиристоры. Схемные построения, работа, вольт-амперные характеристики. Области применения.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Обозначение на схемах

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.