ЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1 – Основы физики полупроводниковых диодов

 

§1.1 электрофизические свойства полупроводников

 

В полупроводниках удельное электрическое сопротивление принято измерять для 1см³ материала.

 

      Характерной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного электрического сопротивления от воздействия полей, изменения температуры, ионизированного излучения. Это связано с тем, что ширина запрещённой зоны от 0.5 до 3 эВ /зона проводимости и запрещённая зона перекрываются/.

 

      Наиболее распространёнными материалами являются: германий, кремний, арсенид галлия /Ge, Si, GaAs/. У германия ширина запрещённой зоны – 0.72 эВ, у кремния – 1.12 эВ, а у арсенида галлия – 1.43 эВ. У германия максимальная рабочая температура 75°C, а у кремния 125°C.

 

В кристаллическом твёрдом теле существуют квазинепрерывные зоны разрешённых значений энергии электронов. Верхняя разрешённая зона, которая при температуре абсолютного нуля / =0К/ целиком заполнена электронами, называется валентной. Расположенная над ней следующая разрешённая зона, которая при температуре абсолютного нуля пуста или частично заполнена электронами, называется зоной проводимости.

 

- ковалентная связь

Чем меньше ширина запрещённой зоны, тем ниже рабочая температура. Кристаллическая решётка Si – тетраэдр.

При T=0K все электроны связаны и проводимость полупроводника равна 0. Незаполненная связь – это дырка.

Процесс возникновения пары носителей называется генерацией пары носителей.

Процесс исчезновения пары носителей называется рекомбинацией пары носителей.

     

-

В беспримесном полупроводнике /собственном/ концентрация электронов и дырок совпадает.

 

Wп

WВ

WF

W

валентная зона

уровень Ферми

зона проводимости

Энергия может высвобождаться в виде тепла, либо в виде электромагнитного излучения. Чем выше энергия, тем больше частота.

 

 

 

 

-ширина запрещённой зоны

Уровень Ферми – уровень, вероятность заполнения которого равна ½.

Различают электронную и дырочную составляющую тока и проводимости: n-типа и p-типа.

 

 

Удельная проводимость:

Подвижность  - средняя скорость движения заряда в электрическом поле единичной напряжённости. Как правило, .

Примесные полупроводники – часть атомов основного материала замещена атомами другого материала.

Легирование – процесс введения примесей в полупроводник. Для легирования используется 3-х валентные бор, алюминий, индий, галлий и 5-и валентные сурьма, мышьяк, фосфор.

 

Рассмотрим кристаллическую решётку кремния, легированного фосфором.

-

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

=0.044эВ – энергия, чтобы ионизировать атом примеси /энергия активации/.

      В таком полупроводнике концентрация электронов будет выше, чем концентрация дырок. Примесь, сообщающую полупроводнику электронный характер проводимости, называют донорной.

 

Wп

Wд

WВ

WF

W

потолок валентной зоны

уровень Ферми

дно зоны проводимости

уровень донорной примеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Носители заряда с большой концентрацией называют основными носителями заряда.

      Чем выше степень легирования, тем выше будет располагаться уровень Ферми.

Полупроводники, у которых уровень Ферми располагается в зоне проводимости, называются вырожденными полупроводниками.

 

      С ростом температуры уровень Ферми будет стремиться к середине запрещённой зоны.

     

-

Si

Si

Si

In

Si

Si

Si

Si

Si

Рассмотрим примесный полупроводник, в котором часть атомов основного материала /в данном случае кремния/ заменена атомами 3-х валентного индия.

      Будет дырка.

Какова концентрация примесей, такова и концентрация дырок. Дырок будет больше на количество атомов, введённых в материал.

Такой полупроводник называют дырочным /или p-типа/.

Примесь, сообщающую полупроводнику дырочный характер проводимости называют акцепторной.

WF

Wп

Wак

WВ

W

потолок валентной зоны

уровень Ферми

дно зоны проводимости

уровень воздействия акцепторной примеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для данного примера /Si, In/ =0.16эВ. Уровень Ферми располагается ниже середины запрещённой зоны.

Чем выше степень легирования, тем ниже уровень Ферми. Тогда в вырожденных полупроводниках p-типа W_F – в валентной зоне.

 

 

§1.2 электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

 

       Электронно-дырочный /p-n/ переход – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную проводимость, а другая – дырочную.

 

      Различают гомогенные и гетерогенные переходы:

1)    Гомогенный – этот переход между полупроводниками с одинаковой шириной запрещённой зоны.

2)    Гетерогенный – это переход между полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны.

 

Электронно-дырочный переход называют симметричным, если концентрация основных носителей в обеих областях полупроводника одинакова, иначе называют несимметричным.

 

В несимметричных p-n переходах область полупроводника, имеющая большую концентрацию основных носителей, называется эмиттером, а с меньшей – базой.

E

p

n

Э

Б

b

lp

ln

Равновесие соответствует нулевому внешнему напряжению на переходе.

Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в p-области, часть электронов диффундирует из n-области в p-область. При этом в p-области окажутся избыточные электроны, большая часть из которых находится вблизи металлургической границы. Электроны будут рекомбинировать с дырками. Соответственно будет уменьшаться концентрация дырок и обнажатся нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторных ионов. С другой стороны, от металлургической границы /n-области/ из-за ухода электронов обнажатся нескомпенсированные положительные заряды донорных ионов.

Аналогичные рассуждения можно провести для дырок, которые диффундируют из p-области в n-область. Вблизи металлургической границы по обе стороны её образуется слой с пониженной концентрацией подвижных носителей – обеднённый слой. Существующие в нём объёмные заряды ионов примесей и связанное с ними электрическое поле препятствует диффузии носителей и обеспечивают состояние равновесия, при котором ток через переход равен 0, т.е. напряжённость внутреннего электрического поля нарастает до тех пор, пока вызванное им дрейфовое движение носителей не уравновесит встречное диффузионное движение, обусловленное градиентами концентрации электронов и дырок. Электрическое поле обусловливает внутреннюю /контактную/ разность потенциалов  между n- и p-областями, т.е. потенциальный барьер.

 

 

§1.3 электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

 

 

Если к p-n-переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечёт ток. Т.к. сопротивление обеднённого слоя значительно превышает сопротивление нейтральных областей, тот при малом токе внешнее напряжение  практически полностью прикладывается к обеднённому слою. Под действием этого напряжения изменяется высота потенциального барьера .

-

+

p

n

l

Приложим “+” к p-области и “-” к n-области. Произойдёт следующее:

 

1)    Высота потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения, т.к. электрическое поле, создаваемое внешним источником направлено против внутреннего электрического поля, т.е. напряжённости полей будут вычитаться.

2)    Толщина обеднённого слоя уменьшится /вследствие смещения основных носителей к обеднённому слою/. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера уменьшается, называется прямой полярностью.

3)    Через p-n-переход будет протекать некоторый ток. Такой ток / / при прямой полярности называют прямым током. При такой полярности говорят, что переход смещён в прямом направлении.

	- среднее время жизни носителей заряда в полупроводнике /время между генерацией и рекомбинацией/
	- диффузионная длина носителей заряда - среднее расстояние, которое проходят заряды за время жизни

 

PПО

P

Б

Э

x

P

Рассмотрим распределение дырок в базе при таком напряжении:

 

Диффузионная длина носителей зарядов – расстояние, на котором избыточная концентрация носителей в полупроводнике уменьшается в  раз.

      Процесс введения носителей заряда в область полупроводника, где они не являются основными, называется инжекцией.

В несимметричных p-n-переходах преобладает инжекция из эмиттера в базу.

Отношение тока носителей инжектированных в базу к полному току через переход называется коэффициентом инжекции.

, где - ток дырок

 

+

-

p

n

l

Приложим “-” к p-области и “+” к n-области. Произойдёт следующее:

 

1)    Высота потенциального барьера увеличится на величину приложенного напряжения.

2)    Толщина обедённого слоя увеличится, вследствие оттягивания основных носителей тока от границ p-n-перехода. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера увеличивается, называется обратной полярностью.

 

Обратный ток при такой полярности обусловлен неосновными носителями, для которых поле в переходе является ускоряющим. Обратный ток будет много меньше прямого тока / /. Обратный ток практически не зависит от приложенного напряжения, т.к. уже при небольших напряжениях все имеющиеся неосновные носители вовлекаются в образование  тока и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. Под воздействием термогенерации внутри p-n-перехода образуются пара носителей, которые будут перемещаться в те области, где они будут основными, этот процесс называется экстракцией.

 

 

§1.4 ВАХ /вольт амперная характеристика/ p-n-перехода

 

       Под ВАХ будем понимать зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения.

 - уравнение Шокли, где - температурный потенциал

/Н.У./, где	-коэффициент Больцмана
	-абсолютная температура = 300К
	-заряд электрона

 

 

 

 

 

Прямая ветвь ВАХ

U

I

Обратная ветвь ВАХ

С учётом эффекта модуляции сопротивления базы

С учётом сопротивления базы

При изменении прямого напряжения на 60мВ ток меняется на порядок.

      Тепловой ток – это ток, вызванный термогенерацией в областях полупроводника, прилегающих к границам p-n-перехода на две-три длины диффузии.

      Выразим  из уравнения Шокли: , т.е. можно оценить дифференциальное сопротивление p-n-перехода: . При прямом смещении . Если через p-n-переход протекает =1мА, то =26 Ом. При ,

U

I

ВАХ идеального вентиля

Вентиль – это элемент, который пропускает ток в одном направлении.

Явление уменьшения сопротивления базы при увеличении уровня инжекции называется эффектом модуляции сопротивления базы.

      В результате получаем уравнение Шокли: , где -коэффициент коррекции.

Для реальных p-n-переходов . Для нахождения  необходимо измерить напряжение при двух разных значениях тока.

 

U

U

I

Пороговое напряжение /или напряжение спрямления ВАХ/

U

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2

T1

     

Рост тока с увеличением температуры объясняется тем, что уровень Ферми при увеличении температуры стремится к середине запрещённой зоны высота потенциального барьера уменьшается ток через p-n-переход увеличивается.

 

 

В реальных p-n-переходах обратный ток имеет 3 составляющих:

1)    Тепловой ток

2)    Ток термогенерации /ток носителей, возникающих в обеднённом слое полупроводника под воздействием температуры/

3)    Ток утечки /ток в обход p-n-перехода, обусловлен наличием различных проводящих плёнок, шунтирующих p-n-переход/

 

 

 

      В реальных p-n-переходах наблюдается явление пробоя, под которым понимают резкое увеличение обратного тока.

Различают три вида пробоя:

1)   Тепловой

2)  

U

I

Uпроб1

Uпроб2

U

I

ТКН>0

1

2

U

I

ТКН<0

3

Лавинный

3)   Туннельный

 

[1] Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n-перехода при протекании по нему обратного тока. Тепловой пробой необратим.

[2] Лавинный пробой возникает в p-n-переходах при невысокой степени легирования, когда на длине свободного пробега носители успевают приобрести энергию достаточную для ионизации нейтрального атома. Лавинный пробой обратим, если не перешёл в тепловой.

[3] Туннельный пробой наблюдается в p-n-переходах, образованных вырожденными полупроводниками /сильно легированный проводник/. С ростом температуры уменьшается напряжения пробоя.

 

 

§1.5 ёмкость p-n-перехода

 

Изменение напряжения на p-n-переходе приводит к перераспределению заряда на нём, а значит p-n-переход имеет ёмкость. Ёмкость p-n-перехода принято делить на две составляющие:

1)   Барьерная ёмкость

2)   Диффузионная ёмкость

 

[1] Барьерная ёмкость - ёмкость конденсатора, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – обеднённый слой.

p

n

l

; ;

Обратное напряжение

U

Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. Барьерная ёмкость имеет высокую добротность, поскольку дифференциальное сопротивление велико. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пкФ до сотен пкФ.

      Варикап – переменная ёмкость, на основе p-n-перехода.

Барьерная ёмкость не зависит от частоты, вплоть до 10¹² Гц. Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры из-за снижения высоты потенциального барьера.

 

 

 

[2] Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными /неосновными/ носителями в базе.

np

Б

Э

x

n

ВФХ

U

Cдиф

Растёт уровень инжекции => растёт избыточный заряд в базе

	- протекающий через p-n-переход ток
	- время жизни неосновных носителей в базе
	- температурный потенциал

 

      Формула справедлива на низких частотах. На более высоких частотах диффузионная ёмкость стремится к 0. Ёмкость может достигать значений в несколько мкФ. Однако влияние диффузионной ёмкости на быстродействие p-n-перехода не увеличивается во столько же раз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§1.6 контакты металла с полупроводником

 

      Физические явления в контакте металла с полупроводником определяются соотношением работ выхода электрона из металла и проводника. Если металл привести в соприкосновение с полупроводником, то электрон будет переходить из материала с меньшей работой выхода к материалу с большей работой выхода, что приведёт к возникновению контактной разности потенциалов.

Me

n

в приконтактной области п/п появляются положительные ионы

1

Me

n

приконтактная область п/п обогащена электронами

2

Me

p

в п/п остаются дырки

3

Me

p

остаются отрицательные  ионы

4

(2) и (3) подчиняются законам Ома /омические контакты – такие контакты находят применение в полупроводниках для подведения металлических выводов к области полупроводника/. ВАХ (1) и (4) нелинейна и описываются уравнением Шокли. Переход (1)-(4) – переход Шотки. (1), (4) ведут себя подобно p-n-переходу. В переходе Шотки отсутствует диффузионная ёмкость. Переход Шотки будет более быстродействующим по сравнению с p-n-переходом.

Отличие ВАХ Шотки от p-n:

1)   Обратный ток перехода Шотки больше, чем у p-n-перехода

2)   Прямое падение напряжения на переходе Шотки на 0,2-0,4 В меньше

3)   ВАХ перехода Шотки подчиняется уравнению Шокли в очень широком диапазоне /с очень высокой точностью/ токов: 1мА – 10мА

(0,2 0,4) В

p-n

Ш

U

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 2 – Полупроводниковые приборы

 

§2.1 полупроводниковые диоды

 

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и 2 вывода для подключения к внешней цепи. В зависимости от функционального назначения различают:

1)       Выпрямительные диоды

2)       Лавинные диоды

3)       Выпрямительные столбы

4)       Выпрямительные блоки и сборки

5)       Универсальные и импульсные диоды

6)       Диоды с накоплением заряда

7)       Диодные матрицы и сборки

8)       Стабилитроны

9)       Стабисторы

10)   Ограничители напряжения

11)   Генераторы шума

12)   Варикапы

13)   Варакторы

14)   Туннельные диоды

15)   Обращённые диоды

16)   СВЧ-диоды

17)   Светоизлучающие диоды

18)   Излучающие диоды инфракрасного диапазона

19)   Фотодиоды

20)   И другие

 

[1] Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в однополярный.

 

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости /вентильных свойств/ электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

     

     

Статические и динамические параметры, параметры электрического и эксплуатационного режимов.

 

К основным статическим параметрам относятся:

1)    прямое падение напряжения  при заданном прямом токе

2)    постоянный обратный ток  при заданном обратном напряжении

 

К основным динамическим параметрам относятся:

1)     - среднее за период значение выпрямленного тока

2)     - среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока

3)     - среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения

4)     - среднее за период значение обратного напряжения

5)     - граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня

 

К параметрам электрического режима относятся:

1)     - дифференциальное сопротивление диода

2)     - ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует

 

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы.

 

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

1)     - максимальное значение выпрямленного тока

2)     - максимальное значение допустимого обратного напряжения

3)     - максимальная допустимая мощность

4)     - минимальная температура окружающей среды для работы диода

5)    - максимальная температура окружающей среды для работы диода

 

 

Выпрямительные диоды делятся на:

1)    Силовые /низкочастотные/ /для использования в выпрямителях =50кГц/

a.    Диоды малой мощности  :          < 300мА

b.    Диоды средней мощности: 300мА <  < 10А  

c.    Диоды большой мощности:   10А <          

2)   

9В

C

RН

T

VD

220В

U2

t

Uн

Uср.в

t

Однополупериодный выпрямитель

Маломощные /высокочастотные/ /для применения в разного рода детекторах =10 100МГц/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Такой выпрямитель называется однополупериодным. Конденсатор может выполнять функцию сглаживания.

 

 

Выпрямитель, пропускающий 2 периода, называется двуполупериодным выпрямителем.

VD2

RН

T

VD1

Uн

t

Мостовой выпрямитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При одинаковой C пульсация будет меньше, чем в однополупериодном.

RН

VD4

VD2

VD3

T

VD1

Двуполупериодный выпрямитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.

 

[2] Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов /нормируется напряжение лавинного пробоя/. Может использоваться в цепях защиты от перенапряжения.

 

6(5)

5(4)

[3] Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях.

 

 

 

 

 

 

[4] Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста. Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.

 

[5] Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров.

 

R

E

PПО

P

Б n

Э p

x

Переходный процесс при коммутации

[6] Диоды с накоплением заряда /ДНЗ/ – разновидность импульсных диодов, малое время обратного восстановления. Это достигается неравномерным легированием базы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[7] Диодные матрицы и сборки – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды /диоды соединяются в виде микросхем/. Могут быть соединены между собой или изолированы.

U

I

Iст_max

Iст_min

Iст

Iст

Uст

Uст

T2

T1

[8] Стабилитрон - полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного /или туннельного/ пробоя от обратного тока через переход.

 

Параметры стабилитрона:

1)    Напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации

2)    Дифференциальное сопротивление стабилитрона при заданном токе стабилизации

3)    Температурный коэффициент напряжения стабилизации       При напряжении 6,3В , при большом напряжении преобладает лавинный пробой / /, при меньших напряжениях – туннельный пробой / /.

 

 

Для уменьшения температурного коэффициента стабилизации разработаны прецизионные стабилитроны.

В них включены один или несколько прямосмещённых p-n-переходов. Количество диодов зависит от напряжения стабилизации / В/.

Импульсный стабилитрон от обычных стабилитронов отличается повышенным быстродействием и применяется для стабилизации амплитуды импульсов.

 

Uст

U

I

VD

R

Uвх

Uвых

Ограничительное сопротивление

=

Двухсторонний стабилитрон – два импульсных стабилитрона, включённых встречно. Стабилитроны обычно одинаковы, что приводит к симметричной ВАХ. Используются в двухсторонних ограничителях импульсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uст

Uвх

Uст

Uвых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[9] Стабистор – один или несколько последовательно включённых диодов, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ.

      КС107, КС113, КС119, D220С – Стабисторы

D-220 – Импульсные диоды

 

[10] Ограничитель напряжения – полупроводниковый диод, работающий в режиме туннельного или лавинного пробоя, предназначен для защиты электрических цепей от перенапряжения. От обычных стабилитронов отличается высоким быстродействием и большими допускаемыми импульсными токами. Используется в промышленной электронике.  В, быстродействие измеряется пикосекундами.

 

[11] Генератор шума – это стабилитрон, работающий на грани пробоя. Напряжение пробоя стабилитрона в этом режиме нестабильно  кроме постоянного напряжения генерируется шумовое напряжение. Спектр шума равномерен до частоты 3,5 МГц.

 

U

U

[12] Варикап – нелинейный конденсатор на основе p-n-переходов, барьерная ёмкость которого перестраивается с изменением напряжения на нём.

 

Коэффициент перекрытия по ёмкости:

 ,

 

 

 

 

 

 

[13] Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты /силовой варикап/. Используется в радиопередатчиках, там где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.

 

U

I

Iвпад

Iп

Uпика

Uвпад

Uраспора

[14] Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах.

Туннельный диод – СВЧ прибор, который работает в сантиметровом диапазоне волн / см/. Туннельные диоды относятся к негатронам  /имеют участок с отрицательным сопротивлением/ n-типа.

n-тип

s-тип

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[15] Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении.

      Отсутствует диффузионная ёмкость.

Работают до частоты 50ГГц.

Используется при построении смесителей.

 

 

[16] СВЧ-диоды предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн. В зависимости от выполняемой функции делятся на:

1)    Смесительные

2)   

3

12 10

8ЭБ

Детекторные

3)    Параметрические

4)    Ограничительные, переключателиные

5)    Умножительные и настроечные

6)    Генераторные:

a.    Лавинно-пролётные диоды /ЛПД/

b.    Диоды Ганна

 

Предназначены для встраивания в волноводы.

 

[17] Светоизлучающие диоды и Излучающие диоды инфракрасного диапазона предназначены для преобразования элементарной энергии в энергию некогерентного излучения в соответствующем диапазоне волн. Излучение возникает при рекомбинации неосновных носителей в базе прямосмещённого p-n-перехода с шириной запрещённой зоны > 1,8эВ.

 

[18] Фотодиод предназначен для преобразования энергии световой или инфракрасного излучения в электрическую энергию. Используется в различных датчиках и оптронах.

 

 

§2.2 биполярные транзисторы: устройство и принцип действия

 

Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn /обратные/ и pnp /прямые/ транзисторы.

В реальных конструкциях одна из крайних областей имеет большую степень легирования и меньшую площадь, её называют эмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором, а среднюю – базой. Переход, образованный эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой – коллекторным переходом. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

 

e^- из Э₁ инжектируются в Б₁

w

Lдн

К

np

n

Б

Э

x

Lдн - длина диффузии W – толщина базы

,где

  <1 - статический коэффициент передачи тока эмиттера

   - обратный ток коллекторного перехода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Существует множество технологий производства транзисторов.

 

[1] Сплавной транзистор

Ge

n

In

In

Э

К

Б

 

 

 

 

 

­S_k => больше носителей инжектируются в коллектор

 

 

 

 

 

 

 

 

[2] Эпитаксиально-планарный транзистор

n

n+

Si

SiO2

Эпитаксиальный слой кремния /Si/ с параметрами коллектора

Пластина полупроводника с высокой степенью легирования

Металлизируется /вывод с коллектора/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n+

Si

Окно /вымыто с применением фотопроцессов – фоторезисты и т.п.

P

Диффузия полупроводника p-типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окислении /вскрытие окна меньшего размера/

n

n+

Si

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n+

Si

p

Вид сверху

Электровыводы

Получили npn-транзистор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пластина

Скрабирование /разделение/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[3] Скрабирование – разрезание

 

отрезать

пластмасса

Э

К

Б

#

кристалл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условно графически обозначается:

12(14)

9(11)

9(11)

4,5(5,5)

Б

Э

К

n-p-n

12(14)

9(11)

9(11)

4,5(5,5)

Б

Э

К

p-n-p

 

 

 

 

 

 

 

§2.3 Транзистор, как усилитель напряжения и мощности

5В

UКБ=10В

RК

Uвых~

Iвых~

Uвх~

Iвх~

5В

UЭБ

 

 ;      ;      

 

 ;    ;  

 

Транзистор обладает способностью усиливать электрические сигналы.

 

 

§2.4 Эффект модуляции толщины базы

Э

Б

К

 

 

 

Явление изменения толщины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли /Ирли/ /Early/.

 

 

 

 

 

Следствия эффекта модуляции толщины базы:

 

1)    Статический коэффициент передачи тока эмиттера  будет зависеть от напряжения на коллекторном переходе.

2)    Ток коллектора будет увеличиваться с ростом напряжения на коллекторном переходе.

3)    С ростом напряжения на коллекторном переходе будет увеличиваться быстродействие транзистора

4)    Будет наблюдаться влияние напряжения на коллекторном переходе  на входную цепь транзистора. Это явление называется внутренней отрицательной обратной связью по напряжению.

 

К

Э

X

∆U

Б

 при большем напряжении .

 

Чтобы ток остался постоянным, не должен меняться градиент концентрации, т.е. график параллелен начальному.

 

-коэффициент обратной связи по напряжению

;  

 

 

§2.5 Схемы включения и режимы работы транзисторов

 

 

(1) схема с общей базой	(2) схема с общим эмиттером	(3) схема с общим коллектором

 

 

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

1)    Нормальный активный режим /НАР/ - Э-переход смещён в прямом направлении, К-переход смещён в обратном направлении

2)    Режим насыщения – Э- и К-переходы смещены в прямом направлении

3)    Режим отсечки - Э- и К-переходы смещены в обратном направлении

4)    Инверсный активный режим /ИАР/ - Э-переход смещён в обратном направлении, К-переход смещён в прямом направлении.

 

НАР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах.

 

 

 

 

RК

Uвых

Uвх

 

 

 

Такие схемы называются ключевыми (0/1).

 

 

 

 

 

 

 

ИАР

 

Аналоговый ключ будет лучше при применении ИАР.

 

 

 

 

§2.6 Статические характеристики биполярного транзистора

 

Входная характеристика, выходная характеристика – основные характеристики.

 

Входная характеристика – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении.

Выходная характеристика – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

 

Характеристики, снятые при разных значениях параметра, образуют…

 

Характеристики транзитивно зависят от схемы включения.

 

[1] Схема с общей базой

 

;  - входная характеристика

;   - выходная характеристика

 

 

 

 

 

Смещение характеристики при изменении напряжения обусловлено эффектом Эрли.

 

 

 

 

НАР

РО

РН

~0,5В

 

С ростом  входные характеристики смещаются влево с ТКН: -2мВ/К

Выходные характеристики в схеме с общей базой термостабильны.

 

 

 

 

 

[2] Схема с общим эмиттером

 

;  - входная характеристика

;   - выходная характеристика

 

 

 

 

 

 

- сдвиг из-за эффекта Эрли

 

 

 

 

Граница НАР

; - статический коэффициент передачи тока базы

 

; ;

С ростом  входные характеристики смещаются влево с ТКН -2мВ/К

Выходные характеристики существенно смещаются вверх.

 

 

§2.7 Полевые транзисторы с управляющим входом

 

Полевые/канальные, униполярные/ транзисторы – полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции тонкого полупроводникового канала поперечным электрическим полем.

 

В зависимости от типа проводимости полевой транзистор может быть с p-каналом и n-каналом.

 

      Существует 2 типа полевых транзисторов:

1)    Полевой транзистор с управляющим переходом

a.    Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

b.    Полевой транзистор с управляющим переходом Шотки

2)    Полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник /МДП-транзистор/. Чаще всего в качестве диэлектрика используются оксиды Частный случай – металл-оксид-полупроводник /МОП-транзистор/.

 

Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом:

 

UСИ UЗИ С И З p p n

- граница обеднённого слоя И - исток-электрод, от которого начинается движение зарядов С - сток-электрод, к которому движутся заряды З - затвор-объединённый электрод p-области

 

 

Берётся пластина слаболегированного полупроводника n-типа. На противоположных концах – металлизация /омические контакты/. Методом локальной диффузии формируются p-области на верхних и нижних гранях. На p-областях тоже делается омический контакт. Верхние и нижние грани соединяются.

Если между торцами подключить источник напряжения, то буде протекать ток по каналу между обеднёнными слоями.

 

Напряжение затвор-исток , при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки /один из основных параметров полевого транзистора/. На практике  определяют при малом значении тока сток-исток.

 

 

§2.8 Основные характеристики полевого транзистора

 

Выходная характеристика, передаточная характеристика – основные характеристики.

 

Выходная/стоковая/ характеристика – зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.

Передаточная/стоко-затворная/ характеристика – зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток.

 

[1] Выходная характеристика

 

;

 

 

пробой

ОР

РН

 

 

 

РН – режим насыщения

ОР – омический режим

 

С ростом  изменяется вид канала:

 

 

 

 

 

 

Эффект увеличения длины перекрытой части канала с ростом напряжения СИ называется эффектом модуляции длины канала.

РН – этот область выходных характеристик, где рост тока практически прекращается.

 

[2] Передаточная характеристика

 

;

0,63В

 

 - термостабильная точка

 - начальный ток стока /при /

 

При  близком к 0  ВАХ линейна

При  близком к  ВАХ квадратична

 

С ростом температуры понижается высота потенциального барьера, понижается подвижность носителей в канале.

     

В нормальном режиме работы в цепи затвора протекает ток обратно смещённого p-n-перехода /ток чрезвычайно мал/  поэтотму, одним из основных достоинств полевого транзистора является большое входное сопротивление.

Полевой транзистор – нелинейный транзистор.

 

Основные малосигнальные параметры полевого транзистора:

1)    Крутизна

2)    Дифференциальное сопротивление сток-исток

3)    Коэффициент усиления

 

 

Полевые транзисторы с переходом Шотки – нет p-области, грани сразу металлизируются.

Полевые транзисторы с p-n-переходом – на основе Si

Полевые транзисторы с переходом Шотки – на основе GaAs

Полевые транзисторы с переходом Шотки относятся к СВЧ п/п приборам, которые могут работать на частотах ~10ГГЦ.

 

 

 

§2.9 Полевые транзисторы МДП-структуры

 

Существует две разновидности полевых транзисторов МДП-структуры:

1)    С индуцированным каналом – канал в равновесном состоянии отсутствует, и появляются под воздействием внешнего напряжения.

2)    Со встроенным каналом – канал формируется на этапе изготовления транзистора и существует в равновесном состоянии.

 

Конструкция полевого МДП транзистора с индуцированным каналом.

 

P

Диэлектрик SiO2

UЗИ

UСИ

С

З

И

Металл

Виртуальный n-канал

  

- цепь разорвана

И

С

Основа – пластина слаболегированного p-полупроводника. Поверхность окисляется. Методом локальной диффузии формируется n-область с высокой степенью легирования.

Приложим напряжение на исток-сток.

 

 

 

Подадим отрицательное напряжение на затвор.  возврастает  концентрация электронов под затвором увеличивается  концентрация электронов приближается, затем превышает концентрацию дырок  инверсия типа проводимости.

      , при котором происходит инверсия типа проводимости/при котором появляется канал/ в приповерхностном слое полупроводника называется пороговым напряжением.

Толщина образуемого канала ~1 2 нм.

 

Конструктивно МДП-транзистор со встроенным каналом отличается от транзистора с индуцированным каналом тем, что канал формируется на этапе изготовления транзистора путём легирования транзистора.

 

IC

UСИ

UЗИ1

UЗИ2

UЗИ3

Характеристики статических МДП-транзисторов.

UЗИ

IСнач

UЗИ отсечки

UЗИ пороговое

UСИ=1В

IС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МДП-транзистор со встроенным каналом – правая характеристика.

 

МДП-транзистор с индуцированным каналом – левая характеристика.

 

 

 

 

 

 

 

§2.10 Тиристоры

 

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n-переходами, имеющие S-образную вольт-амперную характеристику.

UA

Катод

УЭ1

П1

П3

П2

Управляющие  электроды

УЭ2

Анод

Rн

n1

n2

p 1

p2

Рис. 1. Устройство тиристора

p-n-переходы

 

При изготовлении тиристора берут пластину полупроводника с параметрами области n₁ и методом двухсторонней диффузии формируют области p₁ и p₂. Затем методом односторонней диффузии формируют область n₂. При такой технологии изготовления наименее легированной будет область n₁, а наиболее легированной - область n₂.

Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к внешнему n-слою - катодом. Внутренние области р- и n-типа называют базами. Выводы от баз образуют управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.

 

 

 

 

В зависимости от числа выводов тиристоры делят на:

1)  диодные /динисторы/, имеющие два вывода - от анода и катода

2)  триодные /тиристоры/, имеющие выводы от анода, катода и одной из баз

3)    тетродные, имеющие выводы от всех областей.

 

В начале своего развития тиристоры претендовали на роль многофункционального прибора. На них пытались делать триггеры, счётчики, мультивибраторы и другие самые разнообразные электронные устройства. Однако постепенно выяснилось, что по большинству направлений они не выдерживают конкуренции с другими полупроводниковыми приборами. Единственная область, в которой тиристоры продемонстрировали высокую конкурентоспособность - это мощные токовые ключи различного назначения, в качестве которых они сейчас успешно и широко используются.

При использовании в качестве токового ключа тиристор включается последовательно с источником питания и нагрузкой /рис. 1/. В процессе работы тиристор может находиться в одном из двух возможных состояний. В одном их них тиристор выключен или закрыт. В этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток в нагрузке практически равен нулю. Во втором состоянии тиристор включен или открыт. В этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление и ток в цепи определяется сопротивлением нагрузки.

Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего представим его в виде двух биполярных транзисторов (рис. 2).

П3

p

p

p

n

n

n

VT1

VT2

Анод

VT1

VT2

Анод

Катод

Катод

П1

П2

П2

I A

I K

I б1 = I к2

I к1 = I б2

Рис. 2. Представление тиристора двумя         биполярными транзисторами

На физические процессы в тиристоре основное влияние оказывают два фактора: зависимость коэффициента передачи по току a от тока эмиттера и лавинное умножение носителей в обеднённом слое коллекторного перехода.

Если на анод подано отрицательное напряжение, то центральный переход П2 будет смещён в прямом направлении, а крайние переходы П1 и П3 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует режиму отсечки транзисторов VT1, VT2 и через тиристор будет протекать обратный ток двух последовательно включенных переходов П1 и П3.

При положительном напряжении на аноде крайние переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а центральный переход П2 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует активному режиму работы транзисторов VT1 и VT2. Как видно из рис. 2, выходной ток транзистора VT1 является входным током транзистора VT2, а выходной ток транзистора VT2 - водным током транзистора VT1, т. е. транзисторы VT1 и VT2 образуют двухкаскадный усилитель, выход которого соединён со входом. В такой схеме возможен регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока.

При небольших положительных напряжениях на аноде через коллекторные переходы будут протекать обратные токи, которые будут усилены транзисторами VT1 и VT2. Но, так как эти токи малы, а при токе эмиттера I_э®0 коэффициент передачи тока эмиттера a®0, то в тиристоре установится ток, ненамного превышающий I_к0.

По мере роста напряжения на аноде ток тиристора будет возрастать за счёт лавинного умножения носителей заряда в переходе П2. Это само по себе приводит к увеличению тока тиристора. Но увеличение тока тиристора приводит к возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что влечёт ещё большее увеличение тока тиристора.

При некотором токе коэффициент усиления по петле, образованной транзисторами VT1 и VT2 превысит единицу. При этом, если ток не ограничен, то в тиристоре возникает регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока, заканчивающийся насыщением транзисторов VT1 и VT2, когда все их переходы будут смещены в прямом направлении. Такой процесс будет происходить в электронном ключе на транзисторе. Если ток ограничен, что имеет место при питании тиристора от источника тока при снятии его вольт-амперной характеристики, то с ростом тока через тиристор напряжение на нём будет падать (рис. 3).

Если в цепи управляющего перехода протекает некоторый ток, то это приводит к увеличению тока тиристора и возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что приводит к уменьшению напряжения, при котором начинается регенеративный процесс включения тиристора(рис. 3). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода можно управлять напряжением включения тиристора.

Вольт-амперная характеристика тиристора имеет пять характерных участков (рис. 3).

Участок 0-1. Напряжение на аноде положительно, ток незначителен, то есть тиристор закрыт. Этот участок вольт-амперной характеристики соответствует режиму прямого запирания.

Участок 1-2. В точках 1 и 2 дифференциальное сопротивление тиристора равно нулю, а между ними - отрицательно. Это участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением тиристора. Координаты точек 1 и 2 являются параметрами тиристора:

U_вкл - напряжение включения;

I_вкл - ток включения;

I_уд(I_выкл) - ток удержания (ток выключения);

U_уд(U_выкл)- напряжение удержания (напряжение выключения).

U вкл

U уд

0

U

I вкл

I уд

I A

U проб

1

2

3

4

5

I у3  > I у2  >  I у1 = 0

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Участок 2-3. На этом участке тиристор открыт и ток через него ограничен сопротивлением внешней цепи. Участок соответствует режиму прямой проводимости.

Участок 0-4. На этом участке напряжение на аноде отрицательно. Ток мал. Тиристор закрыт. Участок соответствует режиму обратного запирания.

Участок 4-5. На этом участке наблюдается резкое увеличение тока тиристора при увеличении отрицательного напряжения на аноде. Участок 4-5 соответствует режиму обратного пробоя.

Динистор

Тиристор, управляемый по аноду

Запираемый тиристор, управляемый по аноду

Тиристор, управляемый по катоду

Запираемый тиристор, управляемый по катоду

Симистор

Рис. 4.  Условные графические обозначения тиристоров на электрических схемах

Для выключения тиристора при его использовании в качестве токового ключа необходимо каким-либо способом уменьшить ток через тиристор до значения, меньшего тока удержания. Выключить тиристор, подавая какие-либо воздействия на управляющий электрод, в большинстве типов тиристоров невозможно. Однако существуют тиристоры, которые могут быть выключены по управляющему электроду импульсом тока обратного знака. Такие тиристоры называют запираемыми по управляющему электроду.

Если в качестве управляющего используется электрод УЭ1, то тиристор называют управляемым по катоду, если в качестве управляющего используется электрод УЭ2, то тиристор называют управляемым по аноду.

Рассмотренные тиристоры при отрицательном напряжении на аноде закрыты. Такие тиристоры называют запираемыми в обратном направлении. Однако существуют тиристоры, проводящие в обратном направлении, которые как бы зашунтированы диодом.

Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную вольт-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами.

Условные графические изображения тиристоров на схемах приведены на рис. 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 3 – Основы микроэлектроники

 

§3.1 Основные понятия микроэлектроники

 

Микроэлектроника - это область науки и техники, связанная с созданием и применением интегральных микросхем /ИМС/.

 

Интегральная микросхема /ИМС/ – совокупность взаимосвязанных транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п., изготовленных в едином технологическом цикле, конструктивно оформленных как единое целое и выполняющих определённую функцию преобразования сигнала.

 

Под элементами ИМС будем понимать входящие в её состав транзисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.д., которые не могут быть выделены из неё в виде самостоятельных изделий.

Компоненты ИМС -  транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и т.д., которые могут быть отделены от ИМС и заменены на другие.

 

ИМС по конструктивно-технологическим признакам делятся на:

1)    Монолитные – все элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки

2)    Плёночные – все элементы выполнены в виде разного рода плёнок на поверхности диэлектрической подложки /пассивные интегральные схемы/

3)    Гибридные – представляют собой комбинация плёночных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты называют навесными. Навесным компонентом может быть монолитная ИМС.

4)    Совмещённые - активные элементы выполняют в приповерхностном слое полупроводниковой подложки, а пассивные в виде плёнок, на предварительно изолированной поверхности того же кристалла.

 

Монолитные ИМС по типу использования активных элементов делятся на:

1)    Биполярные схемы (на биполярных транзисторах)

2)    МОП (металл-окись-полупроводник)

 

Сложность монолитных ИМС принято характеризовать количеством элементов на кристалле  и степенью интеграции .

 

 

Уровень технологии ИМС характеризует плотность упаковки, под которой понимают количество элементов на единицу площади кристаллов.

 

Гибридные плёночные ИМС делятся на:

·         Толстоплёночные - плёнки на поверхности диэлектрика формируются нанесением через трафарет разного рода паст

·         Тонкоплёночные - плёнки формируют путём напыления соответствующего материала в вакууме. Для создания рисунка используют маски.

подложка

трафарет

испаряемый материал

 

 

 

 

 

 

 

Ом

Используется “свидетель” – резистор, который подключается к микросхеме и по достижению напряжения процесс заканчивается.

      Удельное сопротивление плёнок измеряется в    /Ом на квадрат/.

R1

R2

 

 

 

 

                             

 

 

По виду обрабатываемого сигнала ИМС делятся на:

1)    Аналоговые

2)    Цифровые

 

 

§3.2 Изоляция элементов в монолитных ИМС

n

p

n

n

p

К1

К2

Б2

Б1

Э1

Э2

И1

И2

З2

З1

С1

С2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Все методы изоляции делятся на:

1)    Изоляция обратно смещённым p-n-переходом

2)    Изоляция диэлектриком

 

 

 

 

n

p

n

n

p

К1

К2

Б2

Б1

Э1

Э2

n

n

Метод трёх диффузий. 1 недостаток: диффузия длится очень долго /десятки часов/

 

Э1

Э2

Б1

Б2

К2

К1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод разделительной диффузии.

 

p-Si

SiO2

n- Si

Эпитаксио-технологический процесс выращивания монокристаллов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SiO2

 

 

 

 

 

 

 

 

p

p

p

n

n

карман

 

 

 

 

 

 

 

 

Э

Б

К

n

n

n

n

p

p

p

p

Эпитаксиальный слой

Траектория движения электронов

Происходит нагрев в горизонтальной области протекания тока

- n-полупроводник с повышенной степенью легирования на дне «кармана» находится скрытый n+ слой

 

Горизонтальная составляющая тока в коллекторе вызывает нагревание /коллектор слабо легирован  большее сопротивление/. Для уменьшения сопротивления делается скрытый n⁺ слой на дне кармана.

 

Перед тем, как выращивать эпитаксиальный слой, на дне будущих карманов методом локальной диффузии формируется n⁺ слой, затем проводится эпитаксиальное наращивание.

n+

p

 

 

Это изоляция методом обратно смещённого перехода.

 

 

 

Изопланарная технология – метод прокисления /SiO₂/. Это комбинированный метод.

 

n

      Рассмотрим изоляцию диэлектриком. Одна из распространённых технологий - ЭПИК-процесс.

 

 

1)    Берется пластина полупроводника n-типа с параметрами коллектора

 

 

 

n

n+

2 3 мкм

 

 

 

2)    Затем на этой пластине выращивается эпитаксиальный слой – это будущий скрытый n⁺ слой

 

n

n+

10 15 мкм

SiO2

 

 

 

 

 

3)    Вытравливаются канавки. Затем вся рельефная структура окисляется

 

 

 

n

n+

200 300 мкм

Поли Si

 

 

 

 

4)   

n

n+

Поли Si

#

Дальше – сверху методом напыления наращивается поликристаллический кремний /Si/ толщиной 200…300 мкм. Назначение – чисто механическое удерживание. Встречается керамика, но она дороже.

 

 

 

 

 

5)    Затем – всё, что ниже Si сошлефовывается/удаляется/ механической обработкой..

 

 

 

 

 

n

n+

Поли Si

 

6)     Результат…

 

 

 

 

 

 

 

Технология «кремний на сапфире»

сапфир

 

1)   

сапфир

Si

10 15 мкм

Берётся пластина сапфира. /Сапфир и кремний имеют одинаковую кристаллическую решётку, поэтому можно проводить эпитаксию/. Сапфир – очень хороший изолятор.

 

 

2)    Наращивается слой Si толщиной в 10…15 мкм

 

 

сапфир

n

n+

стенки реально – наклонные, а  не вертикальные

 

 

 

3)    Методом фотолитографии в Si травятся сквозные канавки

 

 

 

 

Недостаток – рельефность получаемой структуры.

 

 

§3.3 Элементы интегральных схем

 

[1] Многоэмиттерный транзистор, который является основой ТТЛ /Транзисторно-Транзисторная Логика/.

n+

p

n+

n+

n+

n+

Паразитный горизонтальный транзистор

Б

Э1

Э2

Э3

К

n

SiO2

Me

 

 

Для борьбы с паразитными горизонтальными транзисторами эмиттеры разносят на большое расстояние – то есть делают для них слишком большую базу /10…15 мкм/, и благодаря рекомбинации электронов с дырками эти транзисторы перестают работать.

 

 

 

 

 

- обозначение многоэмиттерного транзистора /Эмиттеры можно изображать по разные стороны от базы/

 

 

 

 

[2] Многоколлекторный транзистор, который является основой ИИЛ /Интегрально-Инжекционная Логика/.

Представляет собой многоэмиттерный транзистор, используемый в инверсном активном режиме. Необходимо, чтобы степень легирования была больше, чем у базы. База должна контактировать с n⁺ для увеличения  / инверсное/.

 

 

- обозначение многоколлекторного транзистора

 

[3] Транзистор с барьером Шотки, который является основой ТТЛШ.

 

Коллекторный переход зашунтирован диодом Шотки.

n+

p

n+

n+

Э

Б

К

n

SiO2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Транзистор работает в нелинейном режиме.

RК

Uвых

Uвх

RБ

E

0.5 В

 

 

,где

-статический

   коэффициент передачи

   тока базы

 

Б

Э

np

 

 

 

 - ток базы насыщения

 

 

Si

Ш

U

I

 

Переключение транзистора происходит не мгновенно,а аз время рассасывания неосновных носителей в базе. Для уменьшения времени необходимо не допускать режим насыщения. Для этого служит диод Шотки.

 

 

 

 

 

 

[4] Интегральные диоды

минимальный ток утечки

высоковольтный

Максимальная ёмкость

В качестве диодов используются эмиттерные и коллекторные переходы транзисторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[5] Интегральные стабилитроны

n+

p

n+

n+

n

Используется эмиттерный переход транзистора / =6В/ или следующая структура:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[6] Резисторы

Или ёмкость p-n-перехода или следующая структура:

 

n+

p

n+

n

металлизация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[7] ПИНЧ-резистор /сжатый/

Имеет нелинейную ВАХ. Сходство с полевым транзистором.

n+

p

n+

n

эмиттерная диффузия

базовая диффузия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 4 – Усилительные устройства

 

§4.1 Основные характеристики и параметры усилителей

 

В электронике усилителем называют устройство, предназначен­ное для увеличения мощности электрических сигналов. Увеличение мощности сигнала в усилителях происходит за счет энергии источни­ка питания. С позиции теории электрических цепей усилитель пред­ставляет собой управляемый источник (рис.1), выходная мощность которого превышает входную.

 

 

Основные параметры усилителя:

• коэффициент усиления по напряжению

• коэффициент усиления по току

• коэффициент усиления по мощности

• входное сопротивление

• выходное сопротивление

где,

U_ВХ – напряжение на входе усилителя;

U_ВЫХ – напряжение на выходе усилителя;

I_ВХ – входной ток усилителя;

I_ВЫХ – выходной ток усилителя;

P_ВХ – входная мощность усилителя;

P_ВЫХ – выходная мощность усилителя;

U_ВЫХ(R_Н=∞) – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода;

U_ВЫХ(R_Н) – напряжение на выходе усилителя при заданном со­противлении

               нагрузки R_Н ≠ ∞;

I_ВЫХ(R_Н) – выходной ток усилителя при заданном сопротивле­нии нагрузки R_Н≠∞.

 

В реальных усилителях указанные параметры являются ком­плексными величинами и зависят от частоты f. Зависимость модуля комплексной величины от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой. Зависимость аргумента комплексной величины от частоты называют фазочастотной характеристикой.

 

В усилителях наибольший интерес представляют амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики коэффициента усиления по напряжению соответственно K_U(f) и φ(f). В идеальном усилителе (т.е. в усилителе, не вносящим искажения в усиливаемый сигнал) модуль коэффициента усиления по напряжению должен оставаться постоянным во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности, а фазочастотная характеристика должна иметь вид прямой линии (рис. 2). В реальных усилителях диапазон рабочих частот ог­раничен сверху или снизу.

 

В зависимости от вида амплитудно-частотной харак­теристики (рис. 3) различают:

 

• усилители постоянного тока (УПТ)

 

• усилители   переменного тока

 

• избирательные усили­тели

 

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) усилителя постоянного тока простирается от 0 до f_B, на которой коэффици­ент усиления уменьшается в √2 раз по сравнению с коэффициентом усиления в области средних частот:

Частоту f_В называют верхней граничной частотой усилителя.

В усилителях переменного тока полоса пропускания ограничена как сверху, так и снизу. Частоту f_В, на которой K_U(f_Н)=0,707 K_U(f_CP), называют нижней граничной частотой усилителя.

 

	Усилитель постоянно­го тока. Полоса про­пускания ограничена.
	Усилитель переменно­го тока. Полоса про­пускания ограничена как сверху, так и снизу.
	Избирательный усили­тель. Усиливает в узкой полосе частот.

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики усилителей

 

Избирательные усилители усиливают сигналы лишь в узкой по­лосе частот, что достигается с помощью RC- или LC-цепей. В послед­нем случае избирательные усилители называют резонансными.

 

Вследствие неидеальности амплитудно-частотной характеристи­ки амплитудные соотношения спектральных составляющих сигнала на выходе и входе усилителя будут отличаться. Изменения формы негармонического сигнала, вызванные этой причиной, называют час­тотными искажениями.

 

Неидеальность (нелинейность) фазочастотной характеристики приводит к изменению фазовых соотношений спектральных состав­ляющих в выходном сигнале усилителя. Вызываемые этой причиной изменение формы негармонического колебания называют фазовыми искажениями.

 

Для частотных и фазовых искажений используют также обоб­щающий термин - линейные искажения, поскольку они присущи линейным цепям, содержащим реактивные элементы. Отметим, что линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения спектральных составляющих сигнала, но не изменяют спектральный состав сигнала. Линейные искажения приводят к изменению формы сложных сигналов, но не изменяют форму гармонического колебания.

 

 

 

1(t)

t

Для оценки линейных искажений, возникающих при передачи импульсных сигналов, используется переходная характеристика усилителя.

 

Переходная характеристика в идеальном усилителе.

 

 

 

tн – время нарастания; tз – время задержки; d - амплитуда выброса.

В реальных усилителях переходная характеристика имеет апериодический или колебательный характер.

 

 

§4.2 Нелинейные искажения в усилителях

 

Реальные усилители вносят также нелинейные искажения, причинами которых является применение нелинейных элементов в составе усилителя.

 

;

 - состояние покоя /нет сигнала/

 

Нелинейные искажения приводят к появлению новых спектральных составляющих в выходном сигнале.

 

При линейных искажениях новых гармоник в спектре выходного сигнала не появляется.

Нелинейные искажения зависят от амплитуды колебаний /чем выше амплитуда, тем больше искажение/

 

Количественно нелинейное искажение оценивают коэффициентом гармоник

 - мощность -ой гармоники

у аппаратуры среднего класса - %

у аппаратуры высокого класса - %

у аппаратуры супервысокого класса - % и меньше

 

Одной из основных характеристик усилителя является амплитудная характеристика - зависимость амплитуды напряжения 1-ой гармоники выходного напряжения от амплитуды входного гармонического колебания.

Динамический диапазон усилителя:

;

 

 

 

 

 

 

 

 

§4.3 Обратная связь в усилителях: классификация

 

Обратная связь – передача сигнала с выхода устройства на его вход.

 

Усилитель, охваченный обратной связью можно представить в виде следующей структурной схемы:

1 – собственный усилитель

2 – канал обратной связи /КОС/

3 – геометрическое суммирование сигналов источника и

    обратной связи

 

 

 

Если ОС охватывает усилитель в целом, то её называют общей, если – часть, то её называют местной.

 

1 и 2 образуют петлю обратной связи.

 

Если 1,2 образуют замкнутую петлю по постоянному току, то такая обратная связь называется обратной связью по постоянному току.

Если 1,2 образуют замкнутую петлю по переменному току, то такая обратная связь называется обратной связью по переменному току.

Если 1,2 образуют замкнутую петлю по постоянному и переменному току, то такая обратная связь называется обратной связью по постоянному и переменному току.

 

Обратная связь называется паразитной, если КОС образован паразитными связями между элементами.

Обратная связь называется частотнонезависимой, если КОС образован не зависит от частоты, иначе – частотнозависимым.

 

Обратная связь называется положительной, если сигнал источника и канал ОС /КОС/ суммируются.

Обратная связь называется отрицательной, если сигнал источника и канал ОС /КОС/ вычитаются.

 

Под положительной ОС понимают, когда фазовый сдвиг между сигналом источника и КОС близок к нулю. /в переменном токе/.

Под отрицательной ОС понимают, когда разность фаз сигнала источника и КОС близка к p.

 

В общем случаи ОС носит комплексный характер.

 

В зависимости от того, как снимается сигнал ОС с выхода усилителя, различают:

1)    ОС по напряжению, когда сигнал ОС пропорционален выходному напряжению усилителя

2)    ОС по току, когда сигнал ОС пропорционален сигналу выходного тока усилителя

3)    Смешанная ОС, когда часть ОС пропорциональна выходному напряжению, а часть – току усилителя

 

по напряжению            по току

 

 

 

 

 

 

В зависимости от того, как вводится ОС во входную цепь усилителя, различают:

1)    последовательную ОС, когда суммируются напряжения источника сигнала и КОСа

2)    параллельную ОС, когда на входе усилителя суммируются токи источника сигнала и КОС

 

 

схемы замещения последовательной ОС           параллельной ОС

 

 

 

§4.4 Влияние обратной связи на параметры усилителя

 

 - коэффициент передачи канала связи

 

Коэффициент усилителя не охваченного ОС:

Коэффициент усилителя охваченного ОС:

;

; ;

 

усиление – петлевое усиление

1-  – глубина ОС, фактор ОС, возвратная разность.

 

усилитель самовозбудится, превратится в генератор

Если  выполняется на одной частоте, то возникшие колебания – гармонические. Если это условие выполняется в полосе частот, то – негармонические.

Чем шире полоса частот, в которой выполняется этот условие, тем ближе колебания по форме к прямоугольным.

Если этот условие выполняется при постоянном токе, то  возникает триггерный эффект /усилитель превращается в триггер/.

При глубокой отрицательной ОС единицей в знаменатели можно пренебречь Þ - это используется для стабилизации

Канал ОС – обычно пассивные элементы Þ они стабильны и  стабилен.

;

;

 

 

[1] Влияние последовательной ООС на входное сопротивление усилителя.

; U_c=U_вх(1+gK_u); ; =z_вх(1+gK_U).

 

=z_вх(1+gK_U)

Этот тип ООС увеличивает входное сопротивление z_вх.

 

 

[2] Влияние последовательной ООС на выходное сопротивление усилителя.

; ; ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

; ;

У идеального усилителя входное сопротивление должно быть больше, а выходное меньше.

Последовательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в (1+gК_U) раз.

 

KU1

KU2

KU3

Uвх

Uвых

коэффициент гармоник

 

Рассмотренная ООС расширяет полосу пропускания.

 

1.    ООС во всех случаях:

·         Уменьшает коэффициент усиления, повышает его стабильность

·         Расширяет полосу пропускания

·         Уменьшает нелинейные искажения

 

 

2.    Последовательная ООС:

·         Увеличивает входное сопротивление

   Параллельная ООС:

·         Уменьшает входное сопротивление

      Независимо от способа снятия сигнала ОС с выхода усилителя.

3.    ООС по напряжению уменьшает  усилителя

    ООС по току увеличивает  усилителя

     Независимо от способа введения сигнала во входную цепь.

 

 

§4.5 Усилители на биполярных транзисторах. Выбор режима работы

 

 

 

 

.

R₁ задает режим работы транзистора по постоянному току.

С₁, С₂ – разделительные или переходные конденсаторы.

 

 

Выбор режима работы по постоянному току.

 

Выходная статическая характеристика в схеме с общим эмиттером.

 

Р_к=U_кэ*I_к;

I_k=P_k.max/U_кэ;

;

j=arctg 1/R_k, - нагрузочная прямая по постоянному току, на ней находится раб точка

Все эти рассуждения применительно, если R_H=¥.

j_n=arctg1/(R_K||R_H)=arctg(R_K+R_H)/( R_K*R_H)

 

 

 

 

; ; ; ;

 

 

§4.5 Стабилизация режима работы каскадов на биполярных транзисторах

 

1) Схема с фиксированным током базы

; ; ; ;

 

2) Схема с фиксированным током базы

 

Для каждого транзистора нужен свой резистор.

 

Эта схема имеет неудовлетворительную температурную стабильность  непригодна в промышленной аппаратуре.

 

 

 

 

 

3) Схема стабилизации рабочей точки с обратной связью

 

При включении  возрастает ;

С уменьшением  - уменьшается , т.е. в схеме имеются противодействия

Чем выше сопротивление цепи усилителя и выше , тем больше увеличивается стабильность. Надо убрать переменную составляющую , для этого надо в цепь подсоединить конденсатор большой ёмкости.

 

4) Схема с эмиттерной стабилизацией

 

- для максимального коэффициента усиления

 

 

 

5) Схема стабилизации режима работы транзистора с ОС по напряжению коллектора

 

;

 

Связь между коллектором и базой обеспечивает стабилизацию режима работы.

 

 

 

Коэффициент по усилению тока будет максимально высоким.

 

 

 

Схема с фильтром в цепи питания.

Стабилизация раб. точки.

Отрицательная О.С. по переменному току убирается С_ф.

 

 

 

 

 

 

 

Каскад с общей базой /КОБ/

 

 

 

 

 

 

Каскад с общим коллектором /КОК/ - /эмиттерный повторитель/

 

 

 

 

КОБ:

Конденсатор  заземляет базу по переменному току. Сигнал через  подаётся на эмиттер.

, коэффициент передачи по току

КОБ плохо согласуются между собой

 

 

КОК:

»1/g; »1;

100% обратная связь.

 

На входе получим:

Без буферного каскада – 1В;

С буферным каскадом в 100 раз больше.

 

 

 

 

Коэффициент усиления по напряжению:

·         у каскадов с общим эмиттером и общей базой соизмеримы />>1/

·         у каскада с общим коллектором <1

 

Коэффициент усиления по току:

·         в схеме с общей базой <1

·         в схеме с общим эмиттером и общим коллектором >>1

 

Коэффициент усиления по мощности максимален в схеме с общим эмиттером >>1

 

Минимальное выходное сопротивление у каскада  с общей базой, выше у каскада с общим эмиттером, максимально у каскада с общим коллектором.

 

Выходное сопротивление в схеме с общей базой и общим эмиттером приблизительно равно сопротивлению в цепи в схеме с общим коллектором.

 

§4.6 Дифференциальные каскады /ДК/

Каскад имеет несимметричный вход, если одна из баз по переменному току заземлена; симметричный – если ни одна из баз не заземлена. То же для выходного сигнала.

 

 и  не обязательно равны

 

 

 

Принцип действия основан на симметрии.

Схема симметрична:

1)    R_K1=R_K2=R_K

2)    Равенство параметров транзисторов

 

(1) Пусть U_ВХ1=U_ВХ2=0 Þэмиттерные переходы включены параллельно.

I_RЭ=(E₂-U_БЭ)/R_Э, U_БЭ1=U_БЭ2=U_БЭ.

I_Э1=I_Э2=(E₂-U_БЭ)/2R_Э; I_K1=I_K2=a×[(E₂-U_БЭ)/2R_Э];

a×R_K×[(E₂-U_БЭ)/2R_Э]=E₁/2;

;

Если E₁=E₂, то R_K»R_Э,

U_ВЫХ= U_ВЫХ.1- U_ВЫХ.2=0

Усилитель представляет собой сбалансированный мост.

Изменение выход. напряжения в усилители с течением времени или под действием стабилизирующих факторов при U_ВХОД=0 называется дрейфом нуля.

 

(2) Подадим на вход усилителя равные по величине и одного знака напряжения /синфазны/.

I_Б – увеличится; I_K – увеличится; напряжение на коллекторе уменьшится; U_ВХОД=0 Þ дифференциальный каскад на синфазные напряжения не реагирует.

Подадим на вход дифференциального каскада  равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения. (U_ВХ1>0, U_BX2>0, |U_BX1|=|U_BX2|).

DI_Б1>0, DI_Б2<0; DI_K1>0, DI_K2<0; DU_КЭ.1<0, DU_КЭ2>0.

U_ВЫХ=DU_ВЫХ.1-DU_ВЫХ.2=-R_KDI_K1-R_KDI_K2=-2DI_K2R_K;

Дифференциальный каскад реагирует на разное входное напряжение.

Если источник подключен между базами, а его средняя точка заземлена, то каскад имеет симметричный вход.

 

 

 

 

 

Переменный ток. По проводу ни чего не протекает. Провод можно убрать.

 

Постоянный ток. При убирании провода режим работы будет нарушен. Нужно применить дополнит. меры.

 

Если источник сигнала подключить между базами транзистора и одна из них    соединена с общим проводом – схема имеет не симметричный вход.

Выход так же м.б. симметричным или нет.

Если выходное напряжение снимаем с одного из коллекторов транзистора, то выход несимметричен.

Качества дифференциального каскада оценивают коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

К_ООС=К_Д/К_С; К_ООС>>1.

K_OOC»R_Э/r_ВХ.ОБ.(ОБ –в схеме с общей базой)

 

§4.7 Источники тока

 

В качестве источника тока в электронике обычно используются токовые зеркала.

 

 

 

 

Транзисторы должны быть с одинаковыми параметрами.

 

 

 -

 

 

 

Входные каскады работают в режиме микротоков.

 

Токовые зеркала используются в ЦАП:

Используются двоично взвешенные токи, формируемые токовыми зеркалами.

 

 

 

 

 

Эта схема имеет симметричный выход. Зеркало с VT5, VT6 включается для увеличения

 

 

 

 

 

 

 

§4.8 Операционные усилители: характеристики и параметры

Под операционным усилителем в микроэлектронике понима­ют реализованный в виде микросхемы усилитель постоянного тока, имеющий:

• высокий коэффициент усиления по напряжению
• высокое входное сопротивление;
• низкое выходное сопротивление.

 

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход и не­симметричный выход (рис. 1). Входные и выходные сигналы отсчиты­ваются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают. Операционные усилители предназначены для работы с глубокой отрицательной обратной связью и вначале применялись в

аналоговых ЭВМ, где в зави­симости от цепей обратной связи они выполняли разно­образные математические операции (сложение, вычи­тание, умножение, деление, логарифмирование, диффе­ренцирование, интегрирова­ние и т.д.), откуда и произо­шел термин "операционный усилитель".

 

 

 

 

Первые операционные усилители были ламповыми и представля­ли собой весьма громоздкие и дорогие устройства. В настоящее время высококачественные операционные усилители выпускают в виде мик­росхем, цена которых соизмерима с ценой отдельного транзистора, что существенно расширило их область применения. Сочетание высо­ких электрических параметров с малыми габаритами, высокой надеж­ностью и низкой ценой сделало операционный усилитель основным активным элементом аналоговой схемотехники.

Операционные усилители содержат обычно два или три каскада усиления (рис. 2). Первый каскад (ДУ) обязательно собран по схеме дифференциального усилителя, чем обеспечивается подавление син­фазной помехи и уменьшение дрейфа нуля. С целью повышения вход­ного сопротивления во входном каскаде используют режим микрото­ков, составные транзисторы (схема Дарлингтона), супербетатранзисторы со статическим коэффициентом передачи тока базы β=10³÷10⁴, полевые транзисторы. Входной каскад, как правило, содержит цепи балансировки усилителя, предназначенные для устранения смещения нуля. Второй каскад (УН) обеспечивает основное усиление по напря­жению и представляет собой обычно дифференциальный усилитель с

несимметричным вы­ ходом. Усилитель мощности (УМ) чаще всего содержит схему сдвига уровня напря­жения и выходной каскад, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме. Недостатком трехкаскадных операционных усилителей являет­ся склонность к самовозбуждению и невысокая скорость нарастания выходного сигнала.

 

Операционные усилители более поздних разработок, как правило, выполнены по двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель напряже­ния УН). Для увеличения коэффициента усиления во входном каскаде используется динамическая нагрузка в виде токового зеркала, а в вы­ходном - каскад сдвига уровня напряжения, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

 

Рассмотрим передаточную характеристику операционного усили­теля (рис. 3), которая представляет собой зависимость выходного на­пряжения U_ВЫХ от входного напряжения U_ВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим прово­дом, а на какой вход подается входное напряжение, различают пере­даточную характеристику при инвертирующем включении операци­онного усилителя и пере­даточную характеристику при неинвертирующем включении операционно­го усилителя.

 

При малых входных напряжениях U_BX переда­точные характеристики линейны, затем рост вы­ходного напряжения U_ВЫХ замедляется, а потом и вовсе прекращается. Мак­симальное положительное напряжение +U_{ВЫХ.МАКС} и максимальное отрицательное напряжение –U_{ВЫХ.МАКС} обычно несколько меньше соответствующих напряжений питания (E₁, и E₂).

Напряжения +_{UВЫХ.МАКС} и –U_{ВЫХ.МАКС} зависят от сопротивления нагрузки операционного усилителя: чем меньше со­противление нагрузки, тем ниже будут указанные напряжения. Пере­даточные характеристики проходят через начало координат, если опе­рационный усилитель сбалансирован (см. рис. 3). Если балансировка не проводилась, то передаточные характеристики будут пересекаться при ненулевом напряжении на выходе (рис. 4).

 

 

 

Основные параметры операционных усилителей:

•     коэффициент усиления   по   напряжению  К_U.

Определяется наклоном линейного участка переда­точной характеристики и равен от­ношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это при­ращение входному напряжению. На практике К_и лежит в пределах от не­скольких тысяч до нескольких мил­лионов;

• напряжение смещения U_CM -напряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное на­пряжение стало равным нулю (рис. 4). На практике U_СМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт;

 

•      максимальное  выходное  напряжение   U_{ВЫХ.МАКС} -  Различают максимальное положительное напряжение  +U_{ВЫХ.МАКС} и макси­мальное отрицательное напряжение –U_{ВЫХ.МАКС}, которые в общем случае не равны (см. рис.3). Напряжения + U_{ВЫХ.МАКС} и – U_{ВЫХ.МАКС} нормируются при оговоренных значениях напряжения питания, сопротивлении нагрузки и входного напряжения;

•      коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ - от­ношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах;

•      входной ток I_ВХ - для дифференциального операционного усилителя определяется как среднее арифметическое значение токов ин­вертирующего входа I_ВХ.И и неинвертирующего входа I_ВХ.Н;

•      разность входных токов ∆I_ВХ = I_ВН.Н – I_ВХ.И;

•       предельный выходной ток I_{ВЫХ.МАКС} - максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызы­вающее необратимых изменений в операционном усилителе;

•       предельное входное напряжение U_{ВХ.МАКС} - максимальное зна­чение входного напряжения, не вызывающее необратимых измене­ний в операционном усилителе;

•       предельное синфазное входное напряжение U_{ВХ.СФ.МАКС} – мак­симальное значение синфазного входного напряжения, не вызы­вающее необратимых изменений в операционном усилителе;

•       частота единичного усиления f₁ - частота, на которой модуль коэффициента усиления операционного усилителя падает до еди­ницы. Частота единичного усиления f₁ характеризует быстродейст­вие операционного усилителя в режиме малого сигнала;

•       скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых.макс} – от­ношение изменения выходного напряжения U_ВЫХ от 10 до 90 % от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие операционного усили­теля в режиме большого сигнала. Измеряется при отрицательной обратной связи с общим коэффициентом усиления по напряжению от 1 до 10.

 

При анализе схем реальные операционные усилители заменяют их идеализированными моделями, в частности, идеальным опера­ционным усилителем, под которым понимают усилитель, отве­чающий следующим требованиям:

•      коэффициент усиления по напряжению K_U = ∞;

•      входное сопротивление r_ВХ = ∞;

•      выходное сопротивление r_ВЫХ = 0;

•      напряжение смещения U_СМ = 0;

•      коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ = ∞;

•      входные токи I_ВХ = 0;

•       коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты, т.е. полоса пропускания простирается от 0 до ∞;

•      времена задержки, нарастания и спада равны нулю;

•      диапазон входных напряжений неограничен;

•      диапазон выходных напряжений неограничен;

•      выходной ток неограничен;

•      нелинейные искажения отсутствуют;

•      внутри усилителя нет источников шума.

 

 

§4.9 Линейные схемы на операционных усилителях

 

  Рассмотрим инвертирующий усилитель (рис. 1). В этой схеме имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряже­нию. Найдем коэффициент усиления по напряжению. Полагая опера­ционный усилитель идеаль­ным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

 

i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой по­тенциал, то и инвертирующий вход также будет иметь нуле­вой потенциал, хотя он и не

заземлен. Говорят, что инвертирующий вход является точкой вирту­ального (кажущегося) нуля. Тогда

Отсюда находим

Мы полагали, что входные токи операционного усилителя равны нулю. В реальных операционных усилителях входные токи малы, но нулю не равны. Оценим влияние входных токов на работу усилителя. Пусть u_ВХ = 0. Для входного тока операционного усилителя I_ВХ.И и рези­сторы R₁ и R₂ включены параллельно. Ток I_ВХ.И создаст на них паде­ние напряжения

 

U_ВХ.И = I_ВХ.И(R₁ || R₂).

 

Это напряжение будет усилено операционным усилителем, т.е. входной ток I_ВХ.И приводит к разбалансировке операционного усили­теля. Чтобы уменьшить влияние входных токов в цепь неинверти­рующего входа включают компенсирующий резистор R_К = R₁ || R₂ (рис. 2). Тогда ток I_ВХ.И создаст на резисторе R_K падение напряжения U_ВХ.Н = I_ВХ.НR_К.

 

Дифференциальное напря­жение на входе операционного усилителя

 

Если разность входных то­ков ∆I_ВХ = 0, то Uвх = 0, т. е. в схеме будет иметь место полная компенсация входных токов.

Реально ∆I_ВХ = (0,1 ÷ 0,2)I_ВХ. Тогда введение R_K уменьшает разбалансировку усилителя в 5÷10 раз.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен аналоговый сумматор (рис. 3). Найдем зависимость

выходного на­пряжения аналогового сумматора u_ВЫХ от входных напряжений u_ВХ1, u_ВХ2, u_ВХ3, пола­гая операционный уси­литель идеальным. Со­гласно первому закону Кирхгофа

 

i_ВХ1 + i_ВХ2 + i_ВХ3 + i_ОС = 0

 

Принимая во внимание, что инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, получим

 

Отсюда

Если R₁ = R₂ = R₃ = R, то

 

 

 

 

Из последних соотношений следует, что схема рис. 3 выполняет математическую операцию суммирования, при этом масштабный ко­эффициент может быть единичным, может быть неединичным и мо­жет быть индивидуальным по каждому из входов.

Сопротивление компенсирующего резистора в схеме рис. 3 может быть определено из соотношения  Очевидно, что аналоговый сумматор может иметь произвольное количество входов.

Инвертирующее включение операционного усилителя использу­ется также в преобразователе ток - напряжение (рис. 4). Найдем зависимость выходного напряжения преобразователя u_ВЫХ от входно­го тока I_ВХ.

На основании первого закона Кирхгофа при условии, что опера­ционный усилитель идеальный, запишем:

 

 

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя яв­ляется точкой виртуального нуля, то

 

 

Разрешив последнее уравнение относительно u_ВЫХ, получим

откуда следует, что выходное напряжение u_ВЫХ преобразователя про­порционально входному току i_ВХ. Сопротивление компенсирующего резистора R_K должно равняться сопротивлению резистора R в цепи обратной связи (рис. 4). Рассмотренный преобразователь ток-напряжение широко используется в составе цифро-аналоговых преоб­разователей.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен преобразователь напряжение - ток (рис. 5). Найдем зависимость выходного тока преобразователя i_ВЫХ от входного напряжения u_ВЫХ.

 

Согласно первому закону Кирхгофа, полагая операционный усилитель идеальным, можно за­писать:

i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, то

Из последнего соотношения находим:

т.е. выходной ток преобразователя i_ВЫХ пропорционален входному напряжению u_ВХ.

В схеме рис. 5 ни один из выводов нагрузки R_H не заземлен. В этом случае говорят, что преобразователь имеет незаземленную на­грузку. Сопротивление компенсирующего резистора R_K = R || R_H.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель (рис. 6). В этой схеме имеет место последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, которая увеличивает входное сопротивление и уменьша­ет выходное сопротивление усилителя. Найдем коэффициент усиле­ния по напряжению. Если на неинвертирующий вход подано напряжение

u_ВХ.Н = u_ВХ, то и на инвер­тирующем входе установится то же самое напряжение: u_ВХ.И = u_ВХ, т.е.

 

Если R2 = 0, а R1 = ∞, то K_U = 1. Такую схему называют повторителем напряжения (рис.7).

Неинвертирующий усилитель хуже инвертирующего, так как операционный усилитель работает в нем с большим син­фазным напряжением (u_ВХ.СФ = u_ВХ).

 

Рассмотрим дифференциальное включение операционного усилителя, которое представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего включений (рис. 8). При дифференциаль­ном включении операционного усилителя выходное напряжение про­порционально разности напряжений u_ВХ2 и u_ВХ1 на его входах.

Используя метод суперпозиции (наложения), находим выходное напряжение усилителя как сумму откликов на воздействия u_ВХ1 и u_ВХ2:

 

 

Отсюда видно, что опера­ционный усилитель в дифференциальном включении осуществляет математиче­скую операцию вычитания.

Входное сопротивление по инвертирующему входу r_ВХ1 = R₁. Входное сопротивление по неинвертирующему входу r_ВХ2 = R₃ + R₄, т.е. входные сопротивления неодинаковы: r_ВХ2 > r_ВХ1. Это нарушает сим­метрию усилителя. Еще одним недостатком рассмотренной схемы яв­ляется работа операционного усилителя при больших синфазных на­пряжениях. Существуют схемы дифференциальных усилителей, сво­бодные от указанных недостатков схемы рис. 8, но они содержат два или три операционных усилителя.

Рассмотрим интегрирующий усилитель (рис. 9). Полагая опе­рационный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирх­гофа запишем:

 

Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой по­тенциал, то инвертирующий вход будет точкой виртуаль­ного нуля. Тогда

 

 

После интегрирования последнего уравнения получим:

Отсюда следует, что рассмотренная схема осуществляет матема­тическую операцию интегрирования.

Поскольку амплитудно-частотная характеристика интегрирующе­го усилителя имеет завал в области высоких частот, то он устойчив к самовозбуждению.

Рассмотрим дифференцирующий усилитель (рис. 10). Пола­гая операционный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

 

i_ВХ + i_ОС = 0.

 

Принимая во внимание, что инвертирующий вход будет точкой виртуального нуля, получим

т.е. рассмотренная схема осу­ществляет математическую
операцию дифференцирования.

 

На практике избегают применения дифференцирующего усилите­ля из-за его склонности к самовозбуждению, что является следствием подъема амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот.

В схемах рис. 9 и рис. 10 в цепи неинвертирующего входа также может быть включен компенсирующий резистор, сопротивление ко­торого R_K = R.