Коэффициент обратной связи по напряжению

А.А. Емельянов

ЭЛЕКТРОНИКА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

А.А. Емельянов

ЭЛЕКТРОНИКА

Допущено учебно-методическим объединением

вузов по образованию в области автоматизированного

машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по направлениям подготовки: бакалавров и магистров

«Технология, оборудование и автоматизация

машиностроительных производств» и дипломированных

специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение

машиностроительных производств», «Автоматизированные

технологии и производства»

Орел 2008

УДК 621.38(075.8)

ББК 32.85

Е60

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор

Санкт-Петербургского государственного университета

экономики и финансов

В.В. Трофимов,

доктор технических наук, профессор

технологического института

Орловского государственного технического университета

А.В. Киричек

Е60 Емельянов, А.А. Электроника: учеб. пособие / А.А. Емельянов. – Орел: ОрелГТУ, 2008. – 143 с.: ил.

Рассмотрены свойства полупроводников, основные полупроводниковые приборы, типовые транзисторные каскады и узлы, силовые устройства, устройства аналоговой и цифровой электроники.

Предназначено студентам неэлектротехнических специальностей вуза.

УДК 621.38(075.8)

ББК 32.85

ISBN 978-5-93932-180-8 © ОрелГТУ, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………..6

1. Элементная база электронных схем………………………………….7

1.1. Свойства полупроводников……………...………………………7

1.2. Электронно-дырочный переход……………………….………...9

1.3. Классификация полупроводниковых приборов..……………..13

1.4. Классификация полупроводниковых резисторов...…………..14

1.5. Полупроводниковые диоды…………………………………….16

1.6. Биполярные транзисторы...………………………………….....20

1.6.1. Устройство………………………………….………………20

1.6.2. Принцип работы………………….………………………...21

1.6.3. Схемы включения и основные параметры………………..23

1.6.4. Статические характеристики………………………………24

1.6.5. h-параметры………………………………………………...25

1.7. Полевые транзисторы………………...………………………..28

1.7.1. Устройство………………………………………………….28

1.7.2. Принцип работы….………………………………………...30

1.8. Тиристоры…………………………….………………………...32

1.9. Интегральные микросхемы…………………………..………..34

1.10. Операционный усилитель…….……………………………...35

2. Источники вторичного электропитания……………………………38

2.1. Классификация………………..………….………………….......38

2.2. Выпрямители………………………….…………………………39

2.2.1. Однофазный полупериодный выпрямитель.……………....40

2.2.2. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой……43

2.2.3. Однофазный мостовой выпрямитель……………………....45

2.2.4. Многофазные выпрямители………………………………...46

2.2.5. Управляемые выпрямители………………………………....48

2.3. Сглаживающие фильтры………………………………………..49

2.3.1. Емкостной фильтр …………….……………………………49

2.3.2. Индуктивный фильтр……………………………………….51

2.3.3. Г- и П-образные фильтры…………………………………..51

2.3.4. Внешняя характеристика выпрямителя…………………...52

2.4. Стабилизаторы…………………………………………………..54

2.4.1. Параметрический стабилизатор……………………………54

2.4.2. Компенсационный стабилизатор…………………………..56

3. Усилители электрических сигналов…………………………………59

3.1. Классификация………………………………………………......59

3.2. Основные параметры……………………………………………60

3.3. Обратная связь в усилителях…………………………………...62

3.3.1. Коэффициент усиления усилителя с последовательной

отрицательной обратной связью по напряжению………………..63

3.3.2. Входное и выходное сопротивление усилителя

с отрицательной обратной связью………………………………...64

3.4. Усилительный каскад на биполярном транзисторе…………...65

3.4.1. Схема с фиксированным током базы……………………...66

3.4.2. Схема с эмиттерной стабилизацией……………………….67

3.4.3. Схема с коллекторной стабилизацией…………………….68

3.4.4. Режимы работы усилительного каскада…………………..69

3.5. Усилительный каскад с эмиттерной стабилизацией………….70

3.5.1. Выбор параметров схемы…………………………………...70

3.5.2. Графический анализ работы………..………………………74

3.5.3. Расчет параметров каскада…………………………………76

3.6. Линейные схемы на операционных усилителях………...……..78

3.6.1. Инвертирующий усилитель……………………….……….79

3.6.2. Неинвертирующий усилитель …………………….………80

3.6.3. Повторитель напряжения………………………….……….82

3.7. Усилитель мощности……………………………………………82

3.8. Генераторы гармонических колебаний………………………..83

3.9. Генераторы импульсных сигналов…………………………….85

4. Цифровая электроника……………..………………………………..92

4.1. Импульсный режим работы…………………………………….92

4.1.1. Характеристика импульсного режима……………………..92

4.1.2. Импульсный сигнал………………………………………....92

4.1.3. Транзисторный ключ………………………………………..94

4.1.4. Переходные процессы в импульсных схемах……………..95

4.2. Логические цифровые устройства…………………………….97

4.2.1. Логические элементы………………………………………..97

4.2.2. Классификация логических элементов…………………….99

4.2.3. Схемотехника элементов ТТЛ…………………………….100

4.3. Комбинационные цифровые устройства…………………….102

4.3.1. Шифратор и дешифратор..………………………………...102

4.3.2. Мультиплексор и демультиплексор………………………103

4.3.3. Сумматор…………………………………………………....105

4.4. Последовательностные цифровые устройства……………...106

4.4.1. Триггер……………………………………………………...106

4.4.2. Счетчик……………………………………………………...109

4.4.3. Регистр………………………………………………………110

4.5. Запоминающие устройства…………………………………...111

4.5.1. Классификация……………………………………………..111

4.5.2. Оперативные запоминающие устройства………………...112

4.5.3. Постоянные запоминающие устройства………………….113

4.6. Программируемые логические интегральные схемы………115

4.7. Микропроцессоры и микроконтроллеры……………………117

4.8. Устройства аналого-цифрового преобразования сигнала….119

4.8.1. Цифро-аналоговые преобразователи ……………………..119

4.8.2. Аналого-цифровые преобразователи …………………….121

4.9. Электромагнитная совместимость электронных приборов...123

5. Контрольные задания……………………………………………….126

5.1. Расчет транзисторного усилительного каскада……………..126

5.1.1. Задание……………………………………………………..126

5.1.2. Последовательность расчета……………………………...127

5.2. Расчет однофазного усилителя………………………………...129

5.2.1. Задание……………………………………………………..129

5.2.2. Последовательность расчета……………………………...129

Литература……………………………………………………………...133

Приложение А. Характеристики транзисторов………………………134

Введение

Данное учебное пособие соответствует программе курса электроника. Электроника является областью науки и техники, объединяющей исследования и разработку электронных устройств и принципов их использования. С ее помощью решаются задачи преобразования электрической энергии, обработки информации, автоматизированного и автоматического управления. Сфера использования электроники непрерывно расширяется.

Изобретение электровакуумного диода в 1904 г. англичанином Флемингом положило начало возникновению и развитию этой отрасли науки и техники. За прошедшие сто лет электронная аппаратура непрерывно усложнялась и совершенствовалась. Основным показателем совершенства такой аппаратуры является плотность упаковки элементов. В результате перехода от электронных ламп к полупроводниковым элементам, а затем к изделиям микроэлектроники, плотность упаковки превысила тысячу элементов на 1 см³. При такой плотности упаковки сложные функциональные блоки выполняются в виде одной интегральной схемы. Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы выполнены из элементов, в основе принципа действия которых лежат свойства полупроводниковых материалов с разными типами электропроводности, свойства перехода между полупроводниками с разными типами электропроводности, особенности взаимодействия переходов друг с другом.

В пособии рассмотрены свойства полупроводников, элементная база электронных устройств, источники вторичного электропитания, усилители электрических сигналов, импульсные и автогенераторные устройства, устройства цифровой электроники.

Учебное пособие предназначено для студентов инженерных специальностей, чья подготовка опирается на использование электронных устройств, применяемых при управлении технологическими процессами и в работе специальных машин и аппаратов.

1. Элементная база электронных схем

1.1. Свойства полупроводников

Атом любого вещества может находиться в строго определенных энергетических состояниях, представляемых в виде энергетических уровней (рис. 1.1).

В нормальном состоянии уровни низких значений энергии (1) заполнены электронами. На более высокие уровни (2) электрон может перейти в результате возбуждения атома внешним энергетическим воздействием. Время жизни атома в возбужденном состоянии невелико. Излучив избыток энергии в виде кванта света, атом возвращается в нормальное состояние. При образовании кристаллической решетки твердого тела соседние атомы взаимодействуют между собой, при этом электронные уровни смещаются, образуя энергетические зоны: валентную (3), запрещенную (4) и проводимости (5).

Полупроводники – вещества, запрещенная зона которых может быть преодолена электронами за счет внешних энергетических воздействий.

При абсолютном нуле в полупроводнике нет свободных электронов. При подведении энергии, достаточной для перехода через запрещенную зону в зону проводимости, электроны становятся свободными и создают электропроводность n-типа. В валентной зоне после ухода электронов образуются вакансии или «дырки», эквивалентные положительным зарядам, которые в результате заполнения соседними электронами создают электропроводность p-типа. Генерация носителей (образование пары: электрон – дырка) сопровождается обратным явлением – их рекомбинацией.

С изменением интенсивности внешнего энергетического воздействия число носителей заряда в полупроводнике меняется в широких пределах. Полупроводники – вещества, удельное сопротивление которых занимает диапазон в четырнадцать порядков величины Ом/м. Энергию, необходимую для перехода электрона в свободное состояние и образования дырки, можно доставить не только тепловым воздействием, но и с помощью электрического и магнитного поля, механического воздействия, воздействия света, заряженных частиц и т. д.

Полупроводники подразделяют на простые полупроводники и сложные полупроводниковые композиции. Простые образованы атомами одного химического элемента, их около десятка. Основные – германий (Ge) и кремний (Si) – являются элементами IV группы таблицы Менделеева и характеризуются ковалентной связью между атомами кристаллической решетки, при этом число ковалентных связей равно числу валентных электронов. Сложные полупроводниковые композиции являются соединениями атомов двух или большего числа химических элементов. К ним относятся соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, удовлетворяющие общим формулам A^IVB^IV (например, карбид кремния SiC); A^IIIB^V (арсенид галлия GaAs); A^IIB^VI (сернистый кадмий CdS), а также некоторые оксиды (например, Cu₂O) и вещества сложного состава.

Полупроводники подразделяют на собственные и примесные. Собственный полупроводник – чистый полупроводник без примесей, влияющих на электропроводность. Ширина запрещенной зоны полупроводника составляет эВ и электроны поставляются в зону проводимости только из валентной зоны (рис. 1.2.а). При каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике создаются два заряда противоположного знака, а концентрации электронов в зонах проводимости и валентной равны . Индекс i (intrinsic, англ. – присущий, внутренний) характеризует собственные носители заряда, концентрация которых невелика и составляет см⁻³.

Примесный полупроводник получают в результате введения примесей. Легирование придает полупроводнику определенный тип электропроводности. Электронную проводимость получают в результате легирования элементами V группы, а дырочную – при легировании элементами III группы. Примесные атомы образуют энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Атомы примесей располагаются на больших расстояниях и не взаимодействуют друг с другом. Их энергетические уровни подобны уровням свободного атома. Примеси либо поставляют электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимают их из валентной зоны.

У полупроводника n-типа примесные уровни расположены возле «дна» зоны проводимости (рис. 1.2, б), обеспечивают электронную электропроводность и называются донорными, при этом электроны являются основными носителями, а дырки – неосновными. У полупроводника p-типа примесные уровни расположены около «потолка» валентной зоны (рис. 1.2, в), обеспечивают дырочную электропроводность и называются акцепторными. Основные носители – дырки, неосновные – электроны. При абсолютном нуле температуры все уровни, расположенные ниже уровня Ферми φ_F, заполнены электронами.

1.2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – область на границе двух полупроводников разных типов электропроводности.

Изолированные друг от друга слои полупроводника, обладающие высокой концентрацией подвижных носителей: дырок и электронов, – и неподвижных ионов примесей противоположного знака, а также их зонные диаграммы, приведены на рис. 1.3.

Объединением полупроводников разных типов электропроводности в результате дополнительного легирования примесного полупроводника (базы) получают p-n-переход (рис. 1.4, а). В контактирующих слоях под действием градиента концентрации происходит диффузия основных носителей: дырки из слоя p проникают в слой n, а электроны, наоборот, из слоя n – в слой p. Диффузия сопровождается рекомбинацией основных носителей, уменьшающей их концентрацию в приграничной области. Некомпенсированные ионы примесей создают электрическое поле напряженностью В/м, запирающее переход. Поле , с одной стороны, препятствует переходу основных носителей заряда, с другой, – вызывает дрейф неосновных носителей: дырок из слоя n в слой p и электронов в обратном направлении. В отсутствии внешнего поля устанавливается динамическое равновесие и . В несимметричном p-n-переходе более протяженным является некомпенсированный объемный заряд базы.

Зонную диаграмму p-n-пере-хода (рис. 1.4, б) получают по диаграммам изолированных слоев полупроводника, исходя из единства уровня Ферми φ_F. В области p-n-перехода, обедненной носителями и обладающей высоким удельным сопротивлением, возникает потенциальный барьер шириной мкм и высотой В, препятствующий движению основных носителей (рис. 1.4, в).

Наложение внешнего поля изменяет картину. Совпадение направлений внешнего и запирающего полей увеличивает высоту и ширину барьера. Через закрытый p-n-переход протекает малый обратный ток неосновных носите-
лей .

Смена полярности источника напряжения приводит к встречному включению полей . Высота и ширина потенциального барьера уменьшаются и при выполнении равенства запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n-перехода резко снижается, переход открывается и возникает достаточно большой прямой ток.

На рис. 1.5 представлена обобщенная вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Характеристика – нелинейная. При прямом включении участок 1 характеристики соответствует закрытому переходу ( ) и через переход протекает малый ток . На участке 2, когда , запирающий слой отсутствует и ток ограничен лишь собственным сопротивлением полупроводника.

При обратном включении возрастающий с напряжением запирающий слой не пропускает основные носители. Ток обусловлен неосновными носителями и мал (3). При достижении напряжением некоторого критического значения возникает электрический пробой перехода.

При электрическом пробое (4) ток возрастает за счет резкого уменьшения дифференциального сопротивления перехода . Характер электрического пробоя различен в зависимости от степени легирования полупроводника.

В слаболегированных полупроводниках с шириной запирающего слоя, существенно превосходящей длину свободного пробега , электрон (дырка) между столкновениями с атомами приобретает энергию, достаточную для ионизации атома и образования нового электрона (дырки). Начинается лавинообразное размножение носителей. Лавинный пробой наблюдают в высокоомных p-n-переходах.

В сильнолегированных полупроводниках ширина потенциального барьера мала и электрон на длине свободного пробега не набирает энергии, достаточной для ионизации. С ростом напряженности электрического поля форма барьера изменяется и при некоторой критической напряженности электроны, сохраняя свою энергию, туннелируют сквозь барьер, образуя электронно-дырочные пары
(рис. 1.6). Туннельный пробой, называемый также зенеровским (Zener), существенно увеличивает ток и наблюдается в низкоомных
p-n-переходах.

Электрический пробой не изменяет свойств p-n-перехода и является рабочим режимом полупроводниковых приборов.

Участок вольтамперной характеристики с дифференциальным сопротивлением (5) соответствует тепловому пробою. При тепловом пробое разогрев p-n-перехода током усиливает генерацию носителей, вызывая рост обратного тока, разогрев p-n-перехода и его последующее разрушение.

При обратном включении некомпенсированные объемные заряды ионизированных примесей p-n-перехода создают электрическую барьерную емкость . Величина барьерной емкости зависит от диэлектрической проницаемости полупроводника, а также площади и ширины запирающего слоя. С ростом напряжения ширина запирающего слоя возрастает, уменьшая барьерную емкость (рис. 1.7).

В основу работы полупроводниковых приборов положены свойства собственных и легированных полупроводников (резисторы), а также свойства p-n-переходов (диоды) и особенности их взаимодействия (транзисторы, тиристоры).

1.3. Классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковый прибор–прибор, использующий свойства полупроводника, характеристик p-n-переходов и их взаимодействия. Классификация полупроводниковых приборов приведена на рис. 1.8.

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковый резистор – двухэлектродный прибор с сопротивлением, зависящим от внешних энергетических воздействий.

Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 1.9.

Линейный резистор– резистор из слаболегированного полупроводника с сопротивлением (Si, GaAs).

Варистор – полупроводниковый резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 1.10), сопротивление которого R(U) является функцией напряжения (SiC + глина = тирит; SiC + жидкое стекло = вилит; SiC + Si + C + связка = силит). Тирит и вилит используют в вентильных разрядниках, представляющих последовательное соединение искрового промежутка и варистора и применяемых для защиты высоковольтных линий от перенапряжения. Силит составляет основу нагревательных элементов с температурами до 1500 ^○С. Основным параметром варистора является коэффициент нелинейности

, (1.1)

принимающий значения .

Терморезистор – полупроводниковый резистор с сопротивле-нием , являющимся функцией температуры. По характеру зависимости терморезистры подразделяют на термисторы (n-тип), сопротивление которых уменьшается с ростом температуры, и позисторы (титанат-бария, p-тип), сопротивление которых с повышением температуры возрастает.

На рис. 1.11 приведены температурные зависимости термистора (кривая 1) и позистора (2). Основным параметром терморезистора является температурный коэффициент сопротивления

       ,             (1.2)

для термистора , для позистора . Аномальный характер зависимости у позистора наблюдается в результате фазового перехода II рода при превышении температурой критического значения (точка Кюри). Терморезисторы применяют в системах измерения и регулирования температуры, тепловой защиты и противопожарной сигнализации.

Тензорезистор– полупроводниковый резистор с сопротивлением, являющимся функцией механической деформации (слаболегированный Si n- и p-типа). Деформация (растяжение, сжатие) изменяет концентрацию и подвижность носителей, что приводит к разным деформационным характеристикам в зависимости
от типа электропроводности прибора
(рис. 1.12). Один из основных параметров – тензочувствительность

         ,               (1.3)

принимающий значения .

Фоторезистор – полупроводниковый резистор с сопротивлением , зависящим от светового потока Ф (единица измерения – люмен). Освещенность, измеряемая в люксах [лк = лм / м²], характеризует плотность светового потока. В основе работы фоторезистора лежит внутренний фотоэффект – возбуждение электронов вещества под действием электромагнитного излучения (инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое). Внутренний фотоэффект увеличивает число носителей заряда и создает фототок , являющийся разностью токов при наличии и в отсутствии освещения. Приборы, использующие электромагнитное излучение, называют оптоэлектронными. Фоторезистор задают тремя типами характеристик: энергетической (а), вольт-амперной (б) и спектральной (в), – представленными на
рис. 1.13.

Основными параметрами фоторезистора являются: чувствительность, определяемая по крутизне энергетической характеристики

                                            ;                                      (1.4)

рабочее напряжение ; темновое сопротивление и темновой ток , соответствующие характеристике неосвещенного ( ) прибора; длины волн λ_max и λ₀, соответствующих максимальной чувствительности и ее порогу, определяемому на уровне .

1.5. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – двухэлектродный прибор с одним
p-n-переходом, использующий свойства перехода. Классификация полупроводниковых диодов приведена на рис. 1.14.

Конструктивно полупроводниковые диоды подразделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные имеют большую площадь
p-n-перехода и обладают значениями барьерной емкости пФ и прямого тока А. Точечные диоды, получаемые в результате вплавления стальной иглы в пластину Ge илиSi, обладают малой площадью p-n-перехода и имеют существенно меньшие значения емкости пФ и прямого тока мА.

Выпрямительный диод – прибор для выпрямления переменного тока, использующий вентильные свойства p-n-перехода и управляемый приложенным к нему напряжением (Ge, Si). Вольтамперная характеристика полупроводникового диода соответствует участкам 1 – 3 характеристики p-n-перехода (см. рис. 1.5). Основными параметрами выпрямительного диода являются прямое напряжение , обратный ток , предельно допустимые значения прямого тока (среднее), обратного напряжения и частоты прило-женного напряжения. Выпрямительные диоды классифици-
руют по мощности на диоды малой ( А), средней ( А) и большой ( А) мощности и по частоте – на низкочастотные ( кГц) и высокочастотные ( кГц).

Стабилитрон – прибор, служащий для стабилизации напряже-ния (Si). Рабочая часть характеристики полупроводникового стабилитрона соответствует участку 4 вольтамперной характеристики p-n-перехода (см. рис. 1.5). Для стабилизации напряжений до 1 В (интегральные схемы) используют прямую ветвь (1) характеристики , а применяемые диоды называют стабисторами. Основные параметры стабилитрона относятся к участку стабилизации: напряжение В; дифференциальное сопротивление Ом; минимальный мА и максимальный А токи; температурный коэффициент напряжения

, (1.5)

принимающий значения ^○С^-1.

Туннельный диод – полупроводниковый диод на основе туннельного эффекта. Характерной особенностью прибора является участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на прямой ветви характеристики (сильнолегированные Ge, GaAs). Основные параметры: ток пика и кратность превышения током пика тока впадины . Применяется в усилителях и генераторах СВЧ колебаний. Характеристика туннельного диода приведена кривой 1 на рис. 1.15, а.

Обращенный диод – полупроводниковый диод с проводимостью обратного включения, превосходящей проводимость прямого включения. В основе работы диода лежит туннельный эффект, однако участок с на характеристике отсутствует. Обращенный диод используют для выпрямления малых токов, когда выпрямительный диод не эффективен. Прибор используют в обратном включении, т. е. обращают. Характеристика обращенного диода приведена кривой 2 на рис. 1.15, а.

Варикап – полупроводниковый диод, используемый в качестве конденсатора, емкость которого управляется обратным напряжением (Si). Вольтфарадная характеристика варикапа приведена на
рис. 1.15.б. Основные параметры варикапа: емкость пФ и коэффициент перекрытия по емкости , удовлетворяющий диапазону .

Фотодиод – полупроводниковый диод с внутренним фотоэффектом, преобразующий энергию излучения в электроэнергию. Фотодиод характеризуют семейством вольтамперных характеристик (рис. 1.16). В отсутствии светового потока характеристика аналогична характеристике обычного диода. При под действием квантов света в области p-n-перехода генерируются пары: электрон – дырка. Напряженность электрического поля перехода разделяет свободные заряды, направляя их к электродам прибора (дырки – к аноду; электроны – к катоду). Между электродами возникает напряжение U, возрастающее с ростом потока Ф. Четвертый квадрант характеристики , когда при ток диода соответствует режиму фотогенератора – диод отдает энергию во внешнюю цепь. Третий квадрант характеристики, когда при ток диода соответствует режиму фотопреобразователя – диод потребляет энергию из внешней цепи. Фотодиоды работают в диапазоне частот Гц.

Светодиод – полупроводниковый диод с внутренним фотоэффектом, преобразующий электрическую энергию в энергию излучения. Излучение возникает при прямом включении в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода.

Биполярные транзисторы

Устройство

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами, предназначенный для усиления мощности. Биполярный транзистор использует заряды обоих знаков и является прибором, управляемым током. Он состоит из трех слоев полупроводника с чередующимися типами электропроводности, каждый из слоев соединен с внешним выводом. В зависимости от порядка чередования слоев различают транзисторы p-n-p- или n-p-n-типа. Крайние слои транзистора называют эмиттером и коллектором, средний – базой. Эмиттер создает ток прибора, поставляя заряды в базу и коллектор. Коллектор принимает поступающие от эмиттера заряды.

Схематическое изображение структуры транзисторов типа p-n-p и n-p-n дано на рис. 1.17. Стрелка на изображении транзистора показывает направление от слоя p к слою n.

Транзисторы n-p-n-типа получили большее распространение, так как подвижности электронов в два-три раза превышает подвижность дырок. Рассмотрим работу n-p-n-транзистора. Основными элементами прибора являются два взаимодействующих p-n-перехода. Взаимодействие обеспечено малой толщиной базы, составляющей от 1 мкм до
10 мкм, и обеспечено сильным влиянием тока одного перехода на ток другого. Наличие взаимодействия не позволяет представить транзистор схемой с двумя диодами, токи p-n-переходов которых определены приложенным к ним напряжением и не зависят друг от друга
(рис. 1.18).

Принцип работы

Пусть к эмиттерному переходу транзистора приложено прямое напряжение U_бэ ( ), а коллекторный переход включен на обратное напряжение U_кб ( ) (рис. 1.19).

В результате прямого смещения эмиттерного перехода электроны n из эмиттера инжектируются в базу. Встречная инжекция дырок p из базы в эмиттер мала вследствие существенного различия концентраций основных носителей . Из-за малой толщины базы основная часть инжектированных эмиттером электронов достигнет коллекторного перехода. Малая доля электронов прорекомбинирует в базе с дырками, создав ток базы . Инжектированные электроны, попав в базу, оказываются там неосновными носителями и захватываются электрическим полем коллекторного перехода. Они переносятся полем в коллектор, создавая основную часть коллекторного тока . Кроме потока инжектированных эмиттером электронов через закрытый коллекторный переход проходит встречный поток неосновных носителей коллектора – дырок. Вместе с инжектированными электронами они образуют ток коллектора:

, (1.6)

где – начальный ток коллектора, определяемый неосновными носителями;

α – коэффициент передачи эмиттерного тока, .

В цепи выполняется первый закон Кирхгофа и ток коллектора можно выразить через ток базы

, (1.7)

где – коэффициент передачи тока базы, .

Из полученных выражений следует, что выходной ток транзистора управляется или током эмиттера (1.6), или током базы (1.7), причем управление большим коллекторным током с помощью малого тока базы обладает серьезным преимуществом. Величина тока коллектора определяется эффективностью взаимодействия двух
p-n-переходов. Уменьшением ширины и концентрации основных носителей базы добиваются усиления взаимодействия переходов.

Различают диффузионные и дрейфовые транзисторы. База диффузионного транзистора однородна. При равномерном распределении ионы примесей не создают дополнительного электрического поля, что приводит к диффузии носителей через базу. База дрейфового транзистора неоднородна. Неравномерность распределения примесных ионов по объему базы создает дополнительное электрическое поле, вызывающее дрейф носителей через базу. Дрейф, ускоряя прохождение базы носителями, повышает быстродействие дрейфовых транзисторов по отношению к диффузионным.

В зависимости от направления напряжений на переходах, различают четыре режима работы транзистора:

1. Активный: эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном (основной режим).

2. Инверсный: на эмиттерном переходе обратное напряжение, на коллекторном – прямое (применяется редко).

3. Насыщение – оба перехода включены в прямом направлении (замыкание цепи передачи сигнала в ключевом режиме).

4. Отсечка – оба перехода под обратным напряжением (размыкание цепи передачи сигнала в ключевом режиме).

1.6.3. Схемы включения и основные параметры

Биполярный транзистор применяется для усиления переменных сигналов (пульсаций): тока , напряжения , мощности . Схемой замещения усилителя является четырехполюсник. Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник, являются:

· коэффициент усиления по току

;

· коэффициент усиления по напряжению

;

· коэффициент усиления по мощности

;

· входное сопротивление

;

· выходное сопротивление

При включении транзистора, один из его трех электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. В зависимости от названия общего электрода различают три схемы включения транзистора, соответственно:

· с общей базой ;

· с общимколлектором K_U < 1;

· с общим эмиттером , .

Схема с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает усиление транзистора как по току , так и по напряжению и является наиболее распространенной
(рис. 1.20). Высокие значения коэффициента передачи тока базы β обусловливают усилительные свойства транзистора, позволяя управлять большим током выходной цепи с помощью малого входного тока .

Статические характеристики

Транзистор задают входными и выходными статическими характеристиками. Характеристики получают экспериментально в режиме постоянного тока и представляют графически. Для схемы с ОЭ входной (базовой) характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при заданном выходном напряжении

. (1.8)

Выходной (коллекторной) характеристикой для схемы с ОЭ называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при заданном входном токе

. (1.9)

Напряжение на коллекторе определяет мощность выходного сигнала и является независимой величиной (параметром) в (1.8). Ток базы является управляющим сигналом и также используется в качестве параметра в (1.9).

Статические характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером – существенно нелинейны (рис. 1.21).

Входная характеристика при коллекторном напряжении соответствует характеристике прямого включения p-n-перехода. С ростом выходного напряжения характеристика сдвигается вправо. Сдвиг является следствием эффекта Эрли, состоящего в модуляции толщины базы шириной обедненного слоя коллекторного перехода. С ростом обратного напряжения коллекторный переход расширяется в сторону базы, обладающей меньшей концентрацией примесей. Расширение коллекторного перехода сужает базу. Сужение базы повышает ее прозрачность для электронов и уменьшает ток базы, так как увеличивается число электронов, прошедших сквозь базу в коллектор, и уменьшается доля электронов, прорекомбинировавших в базе с дырками. Условие можно выполнить, увеличив входное напряжение , что обеспечивает сдвиг базовой характеристики в сторону больших напряжений.

Выходные характеристики имеет участки резкого возрастания и малого изменения тока с увеличением выходного напряжения . При изменении на одну и ту же величину используемого в качестве параметра тока выходные характеристики оказываются равноудаленными друг от друга.

H-параметры

Входными сигналами усилительных устройств являются малые приращения тока и напряжения , накладываемые на постоянные составляющие токов и напряжений транзистора. Транзистор, представляемый линейным четырехполюсником (рис. 1.22), характеризуют h-параметрами:

. (1.10)

В пределах линейной части входных и выходных характеристик для малого сигнала справедлива система линейных уравнений

(1.11)

Принимая равным нулю одно из слагаемых в уравнениях (1.11) ( или ), получаем выражения для h-параметров, характеризующих транзистор и имеющих физический смысл:

входное сопротивление, Ом

; (1.12)

коэффициент обратной связи по напряжению

; (1.13)

Коэффициент передачи тока

; (1.14)

выходная проводимость, См

. (1.15)

Используя определения h-параметров транзистора (1.12) – (1.15), можно графически находить их значения по заданным входным и выходным характеристикам. При этом сначала нужно выполнить условие, определяющее постоянство независимого параметра: выходного напряжения или входного тока .

Для транзисторов средней мощности h-параметры имеют следующие значения:

Ом; ;

; См.

Пренебрегая обратной связью транзистора по напряжению ( ), из системы уравнений

(1.16)

получаем схему замещения n-p-n-транзистора с ОЭ (рис. 1.23).

Схема включает входную

(1.17)

и выходную

(1,18)

цепи. Входная цепь является управляющей и состоит из одного входного сопротивления транзистора . Выходная цепь является управляемой и состоит из двух параллельно соединенных элементов: источника тока , управляемого малым входным сигналом , и выходного сопротивления транзистора .

На характеристики транзистора существенное влияние оказывает температура. С её ростом повышается подвижность носителей и возрастает концентрация неосновных носителей в коллекторе и базе. Рост подвижности носителей увеличивает коэффициент усиления по току . Возрастание концентрации неосновных носителей повышает обратный ток коллекторного перехода.

Частота переменной составляющей напряжения существенно влияет на h-параметры транзистора. На высоких частотах сказывается конечность времени прохождения носителем базы прибора. С ростом частоты все большее число инжектированных эмиттером носителей не успевает пройти сквозь базу, уменьшая коэффициент усиления прибора .

При работе транзистора на выходные ток и напряжение накладываются ограничения. Они следуют из предельно допустимых значений, задающих нормальную работу прибора. Коллекторный ток не может превышать максимального значения

, (1.19)

что вызывает перегрев эмиттерного перехода.

Превышение напряжением максимального значения вызывает электрический пробой коллекторного перехода, поэтому необходимо соблюдение неравенства

. (1.20)

Предотвращение перегрева коллекторного перехода требует ограничения выделяемой в коллекторе мощности

. (1.21)

На рис. 1.24. показаны не только ограничения выходных характеристик транзистора, но и области различных режимов его работы.

В устройствах силовой и цифровой электроники, когда транзистор выполняет роль ключа, используются только два режима. Один из них соответствует замыканию цепи передачи сигнала и называется режимом насыщения, другой – размыканию цепи и называется режимом отсечки. Режиму насыщения соответствует заштрихованная область левее линии ОА, режиму отсечки – область ниже линии ОВ. Активный режим работы (режим усиления) соответствует незаштрихованной области внутри характеристик.

1.7. Полевые транзисторы

Устройство

Полевой транзистор – полупроводниковый усилительный прибор с управляемым каналом для тока, создаваемого носителями одного знака (униполярный). В отличие от биполярного транзистора, управляемого током, полевой транзистор является прибором, управляемым электрическим полем. С помощью поля регулируют площадь поперечного сечения канала.

В транзисторах с приповерхностным каналом затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. Такие приборы имеют МДП-структуру (металл – диэлектрик – полупроводник). Обычно в качестве диэлектрика в транзисторах с изолированным затвором используют оксид (например, двуокись кремния). Такие транзисторы имеют МОП-структуру (металл – оксид – полупроводник).

Структура полевого транзистора с управляющим переходом и объемным каналом n-типа, а также его условные графические обозначения приведены на рис. 1.25. Стрелка в изображениях полевого транзистора так же, как и биполярного, указывает направление от p-слоя к n-области.

Электрод, поставляющий основные носители в канал, называется истоком (И). Сток(С) – электрод, принимающий из канала основные носители. Затвор (З) – управляющий электрод, создающий полевой эффект и регулирующий поперечное сечение канала.

Концентрация примесей в p-слое (затвор) много больше концентрации примесей в n-слое (канал), поэтому обедненная носителями область p-n-перехода смещается в сторону канала с большим удельным сопротивлением. Замена типов областей полупроводника на противоположные означает смену типа канала транзистора. В зависимости от того, какой из трех электродов используется в качестве общего, различают три схемы включения полевого транзистора. Это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используется схема с общим истоком.

Полевые транзисторы подразделяют на: приборы с изолированным затвором (приповерхностный канал) и с управляющим p-n-переходом (объемный канал). В свою очередь, МДП-транзисторы подразделяют на транзисторы со встроенным (собственным) и индуцированным (наведенным) каналом. Встроенный канал соединяет исток и сток прибора до подачи управляющего напряжения. Индуцированный канал появляется только после приложения управляющего напряжения, превышающего некоторое пороговое значение.

Принцип работы

На p-n-переход затвор – исток с помощью источника питания подается обратное напряжение . При увеличении напряжения переход расширяется, сужая канал. Сужение канала увеличивает его сопротивление, уменьшая выходной ток . Таким образом, управление током транзистора осуществляется через напряжение с помощью электрического поля p-n-перехода. Обратное напряжение в различных сечениях p-n-перехода различно. Вблизи истока И переход находится под действием одного источника , тогда как вблизи стока С – под суммарным действием двух источников . По этой причине канал сужается по направлению к стоку.

Расчет цепей с полевыми транзисторами выполняют с помощью вольтамперных характеристик. Выходной (стоковой) характеристикой называют зависимость

. (1.22)

Передаточной (стокозатворной) характеристикой является зависимость

. (1.23)

Выходные и передаточная характеристики полевого транзистора для схемы включения с ОИ представлены на рис. 1.26.

Выходные характеристики содержат участки резкого роста и неизменного тока. На участке резкого роста характеристика линейна и ток определяется малым омическим сопротивлением открытого канала. С ростом напряжения растет сопротивление канала, а ток остается неизменным. На участке неизменного тока канал характеризуется большим удельным сопротивлением. При превышении напряжением критической величины возникает пробой p-n-перехода и ток канала резко возрастает. С ростом управляющего напряжения канал сужается, сопротивление его возрастает и соответствующая характеристика располагается ниже. Задаваясь напряжением , по выходным характеристикам графически определяют ток для каждого значения управляющего напряжения, а затем по величинам и строят передаточную характеристику.

Основные параметры полевого транзистора определяют по вольтамперным характеристикам:

дифференциальное выходное сопротивление стока (внутренне сопротивление канала)

; (1.24)

крутизна стокозатворной характеристики (передаточная проводимость)

; (1.25)

Коэффициент усиления

. (1.26)

Большое входное сопротивление МОм является достоинством полевого транзистора. При разработке интегральных микросхем с большой плотностью упаковки элементов предпочтение отдается полевым транзисторам как более технологичным.

1.8. Тиристоры

Тиристор (thyra, гр. – дверь) – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями (включен, выключен), имеющий не менее трех p-n-переходов. Различают неуправляемые (диодные) и управляемые (триодные) тиристоры. Неуправляемые тиристоры называют динисторами, управляемые – тринисторами или просто тиристорами. Симметричные тиристоры, применяемые в цепях переменного тока, называют симисторами.

Структура, эквивалентная схема и вольтамперная характеристика тиристора приведены на рис. 1.27.

В отсутствии управляющего импульса , при напряжении между анодом А и катодом К меньшем напряжения включения , тиристор закрыт (выключен). Два его p-n-перехода и смещены в прямом направлении, третий переход смещен в обратном направлении. Закрытый переход П₂обладает большим сопротивлением и не пропускает ток . При смене полярности переход оказывается смещенным в прямом направлении, а переходы и – в обратном. Теперь они не пропускают ток. Закрытому состоянию тиристора соответствует кривая 1 на вольт-амперной характеристике.

Тиристор с тремя p-n-переходами можно представить схемой замещения из двух транзисторов разного типа. Эмиттерным переходом p-n-p-транзистора является переход , а n-p-n-транзистора–
переход . Дырки, инжектированные из p₁-области через пере-
ход , проходят базу n₁и переход и попадают в коллектор p₂ первого транзистора, который является одновременно базой второго. Появление дырок в базе p₂ n-p-n-транзистора создает некомпенсированный положительный объемный заряд, который снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода второго транзистора. Снижение барьера вызывает встречную инжекцию электронов из n₂-области.

Электроны, инжектированные из n₂-области через переход , проходят базу p₂и переход , попадая в коллектор n₁ второго транзистора. Коллектор n₁ также выполняет две функции и одновременно является базой первого транзистора. Появление электронов в базе n₁ p-n-p-транзистора создает некомпенсированный отрицательный объемный заряд, снижающий потенциальный барьер эмиттерного перехода первого транзистора. Снижение барьера вызывает встречную инжекцию дырок из p₁-области. Ток прибора нарастает лавинообразно и тиристор переходит в открытое состояние (включен). Открытому состоянию тиристора соответствует кривая 2 на вольт-амперной характеристике.

Вывод базы позволяет управлять током близлежащего эмиттера. На управляющий электрод У подают импульс, полярность которого обеспечивает отпирание соответствующего эмиттерного перехода: плюс на , минус на . Изменяя амплитуду импульса , регулируют напряжение включения U_вкл тиристора. С ростом амплитуды напряжение уменьшается. При максимальной амплитуде управляющего импульса включение происходит при и характеристика тиристора совпадает с характеристикой диода.

Тиристоры являются основными элементами силовых устройств электроники: управляемых выпрямителей и инверторов. В открытом состоянии номинальные значения токов тиристора составляют кА, в закрытом состоянии приборы выдерживают напряжения кВ.

Динисторы применяют в слаботочных импульсных устройствах. К недостаткам тиристора относят низкое быстродействие, обусловленное большим временем отключения; ограниченную управляемость (отпирание – по цепи управления, запирание – по силовой цепи); низкую помехоустойчивость.

1.9. Интегральные микросхемы

Интегральная схема (микросхема) (ИС) – микроэлектронное изделие с высокой плотностью упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов, выполняющее преобразование и обработку сигнала.

По конструктивно-технологическим признакам ИС подразделяют на следующие классы:

· полупроводниковые;

· пленочные;

· гибридные.

В полупроводниковых ИС все элементы: резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и их соединения, – выполнены в объеме или на поверхности полупроводника.

В пленочных ИС на диэлектрическую подложку наносят аморфные или поликристаллические слои пленок, выполняющих функции пассивных элементов: резисторов и конденсаторов.

Гибридную ИС получают в результате объединения самостоятельных изделий и отдельных кристаллов полупроводника, например, навешивая активные элементы (диоды, транзисторы) на пленочную микросхему. Активными элементами называют элементы, применяемые для усиления сигнала. Индуктивные элементы и трансформаторы – всегда навесные, так как в твердом теле не удается реализовать явление эквивалентное электромагнитной индукции.

Полупроводниковые ИС наиболее распространены. На их основе созданы дешевые малогабаритные электронные устройства, обладающие высокой функциональной сложностью и надежностью. Полупроводниковые микросхемы подразделяют по типам используемых в них транзисторов на:

· биполярные;

· МДП (МОП).

Биполярные ИС разработаны на основе n-p-n-транзисторов, а МДП схемы – на основе МДП-транзисторов с индуцированным каналом. Все остальные элементы схемы, за исключением индуктивных, выполняют в одном кристалле одновременно с транзистором.

По функциональным признакам микросхемы подразделяют на аналоговые и цифровые. К аналоговым ИС относят операционные усилители, источники вторичного электропитания, компенсационные стабилизаторы и другие, к цифровым ИС – триггеры, логические элементы и прочие.

Функциональную сложность микросхемы характеризуют степенью интеграции

, (1.27)

где N – число входящих в схему элементов (обычно транзисторов).

При схему называют простой и характеризуют коэффициентом . Степень интеграции схемы средней сложности при составляет . Большой схеме с числом элементов соответствует коэффициент . Функциональная сложность сверхбольшой ИС ( ) обладает степенью интеграции .

Применение интегральных схем в качестве элементной базы электронных устройств значительно сокращает число паяных соединений, резко снижающих надежность, существенно уменьшает массу и габариты устройств за счет использования бескорпусных элементов, не имеющих внешних выводов. Исключением множества сборочных и монтажных операций достигают значительного снижения стоимости электронных устройств.

Операционный усилитель

Операционный усилитель(ОУ)– высококачественный усилитель постоянных и переменных сигналов, выполненный в виде интегральной микросхемы.

Усилитель используется для генерирования и преобразования маломощных сигналов, стабилизации токов и напряжений и т. д. Начальной областью применения ОУ являлось выполнение простейших математических операций в аналоговых вычислительных машинах, что и обусловило название «операционный».

Операционный усилитель обеспечивает высокие значения коэффициента усиления по напряжению (до ), входного сопротивления (до 1 ГОм), верхней граничной частоты пропускания (до 50 МГц).

Графическое обозначение и напряжения на выводах ОУ приведены на рис. 1.28.

Усилитель имеет два автономных входа: инвертирующий (○) и неинвертирующий. Неинвертирующий вход сохраняет фазу входного сигнала без изменения, инвертирующий – изменяет ее на противоположную. Входное напряжение усилителя, называемое дифференциальным, представляет разность напряжений, подаваемых на эти входы .

Операционный усилитель задается передаточной характеристикой, выражающей связь выходного и входного напряжений (рис. 1.29).

Характеристика имеет участки резкого роста и насыщения. Режим работы ОУ, соответствующий участку резкого возрастания напряжения , называют режимом усиления (линейным, активным). В линейном режиме выполняется соотношение:

, (1.28)

где К – коэффициент усиления по напряжению.

В активном режиме коэффициент усиления ОУ велик и при теоретическом рассмотрении принимается бесконечно большим . В режиме насыщения коэффициент усиления мал и принимается .

Контрольные вопросы

1. Какие токи протекают через p-n-пе-реход?

2. Какие существуют виды пробоя
p-n-перехода?

3. Назовите виды полупроводниковых приборов.

4. В чем различие сопротивлений и ?

5. Какие существуют режимы работы фотодиода?

6. Какие из полупроводниковых диодов работают в режиме пробоя?

7. В чем состоит принцип действия биполярного транзистора?

8. Назовите режимы работы биполярного транзистора.

9. Назовите схемы включения биполярного транзистора.

10. Как определяют h-параметры биполярного транзистора в схеме включения с ОЭ и в чем их физический смысл?

11. Нарисуйте схему замещения биполярного транзистора.

12. Чем отличаются принципы действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и МДП-транзистора?

13. В чем состоит принцип действия полевого транзистора?

14. Как связаны основные параметры и характеристики полевого транзистора?

15. В чем состоит принцип действия тиристора?

16. Нарисуйте эквивалентную схему тиристора.

17. По каким признакам классифицируют интегральные микросхемы?

18. В чем отличие полупроводниковых микросхем от гибридных?

19. Где применяется операционный усилитель?

20. Какие существуют режимы работы ОУ и в чем их различие?

Источники вторичного

Электропитания

Классификация

Источник вторичного электропитания (ИВЭП) –устройство, питающее электронные и другие устройства. Вторичные источники получают энергию от первичных источников, вырабатывающих электроэнергию, (генераторы, аккумуляторы и др.) и осуществляют ее преобразование.

Источники вторичного электропитания классифицируют по виду энергии (напряжение, ток) на входе и выходе:

· выпрямитель – устройство, преобразующее энергию переменного тока в энергию постоянного тока (рис. 2.1, а);

· регулятор – устройство, изменяющее уровень переменного напряжения (рис. 2.1, б);

· инвертор – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 2.1, в);

· конвертор – устройство, изменяющее уровень постоянного напряжения (рис. 2.1, г).

Источники вторичного электропитания классифицируют по выходной мощности:

· маломощные, Вт;

· средней мощности, Вт;

· большой мощности, Вт.

Структурная схема ИВЭП включает несколько устройств
(рис. 2.2).

Трансформатор (Тр) осуществляет гальваническую развязку питающей сети и цепи нагрузки, выполняя функцию регулятора уровня переменного напряжения . Обычно в ИВЭП используется понижающий трансформатор. Выпрямитель (В) преобразует переменное напряжение в пульсирующее напряжение одной полярности . Сглаживающий фильтр (СФ) выравнивает пульсации выпрямленного напряжения . Стабилизатор (Ст) уменьшает изменения напряжения на нагрузке при изменении напряжения сети u₁ или потребляемого нагрузкой тока.

Выпрямители

Выпрямители преобразуют переменное напряжение сети в напряжение постоянного тока с параметрами, определяемыми нагрузкой. Выпрямительные устройства подразделяют на управляемые и неуправляемые. С помощьюуправляемых выпрямителей получают энергию постоянного тока с регулируемым уровнем выпрямленного напряжения. Управляемые выпрямители реализуют на управляемых приборах: транзисторах или тиристорах. Неуправляемые выпрямители, реализуемые на полупроводниковых диодах, обеспечивают на выходе ИВЭП постоянный уровень выпрямленного напряжения.

По числу фаз входного синусоидального напряжения, формирующих выходной сигнал, выпрямители подразделяют на однофазные, трехфазные и многофазные. Выпрямители малой и средней мощности выполняют однофазными, выпрямители большой мощности – трехфазнымиили многофазными. По числу используемых полупериодов входного напряжения выделяют однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. В свою очередь, двухполупериодные выпрямители подразделяют на мостовые и со средней точкой.

Выпрямители имеют следующие основные параметры:

· постоянная составляющая выходного напряжения

, (2.1)