Схемы включения биполярного транзистора
В схеме, приведенной на рис. 3, электрическая цепь, образованная источником Uэб, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником Uкб, коллектором и базой этого же транзистора,—выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».
На рис. 4 изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ». В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора IК, незначительно отличающийся от тока эмиттера Iэ, а входным — ток базы IБ, значи-
Рис. 4. Включение тран Рис. 5. Включение тран-
зистора по схеме с общим зистора по схеме с общим
эмиттером коллектором
тельно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами IБ и Iк в схеме ОЭ определяется уравнением:
IК= h21ЕIБ + IКЭО
Коэффициент пропорциональности h21E называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h21Б
h21Е= h21Б /(1- h21Б).
Если h21Б находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значения h21Е будут в пределах 9...499.
Составляющая IКЭО называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1 +h21Е раз больше, чем Iкбо, т. е.
IКЭО = (1 + h21Е)IКБО.
Обратные токи Iкбо и Iкэо не зависят от входных напряжений Uэб и UБЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока Iкбо удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока Iкэо могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока Iкбо и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор (рис. 5). Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК».
Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справедливо уравнение, связывающее токи его электродов:
Iэ = Iк + Iб.
4. Полевые транзисторы, классификация, структура и схема включения полевого транзистора с затвором в виде р—n-перехода
Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.
Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала,— стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.
Поскольку в полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение носителей заряда одного знака.
Рис. 1Классификация и условные графические
обозначения полевых транзисторов.
Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с р-каналом и n-каналом. Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 1.
Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.
Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n -каналом и управляющим р-n-переходом показаны на рис. 2
В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-n-переход, образованный n-областью канала и р-областью
Рис. 2Структура (а) и схема включения полевого транзистора
с затвором в виде р—n-перехода (б):1,2 — области канала и затвора
соответственно; 3, 4, 5 — выводы истока, стока и затвора соответственно
затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи<0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Uси<0,
Uзи>0.
Рис. 3. Перекрытие канала в полевом транзисторе
Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы с
р-каналом работают аналогично.
На рис. 3 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на
р-n-переход между затвором и каналом (рис. 3, а) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.
Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 3 б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала располо-жено вблизи стока.
Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи<0 (рис. 3, в), то толщина обедненного слоя, а следовательно, и сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзи-стора:
а — выходные; б — передаточная
При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:
Uси+|Uзи|=Uзап
обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.
Вольт-амперные характеристики полевого транзистора приведены на рис. 4 Здесь зависимости тока стока Iс от напряжения при постоянном напряжении за затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 4, а). На начальном участке характеристик Uси+|Uзи|<Uзап ток стока Iсвозрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток — исток до Uси=Uзап-|Uзи| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряже-ния Uси и тока стока Iс. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.
Дальнейшее увеличение напряжения Uсиприводит к пробою р-п-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Iс=f(Uзи) (рис. 4,6). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Вход-ная характеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки затвора I3 от напряжения затвор — исток — обычно не используется, так как при Uзи<0 р-n-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (I3 = 10-8 /10-9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.
Полевой транзистор с изолированным затвором — полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора I3 между металлическими затворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой диэлектрика, обычно оксид кремния, а р-n-переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (МДП — металл — диэлектрик — полупроводник) или МОП-транзисторами (МОП — металл — оксид — полупроводник).
Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n-перехода. В то же время изолированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: Uзи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока Iс.
Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи
S =dIc / dUзи при Uси= const
и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения
Rc =dUcи / dIc при Uзи = const.
5. Интегральные микросхемы (линейно-импульсные и логические)
Применение электронных устройств для решения все более сложных технических задач приводит к постоянному усложнению их электрических схем. Создание новых электронных устройств с большим количеством элементов стало возможным на базе микроэлектроники.Микроэлектроникой называют научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюрных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энергией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлектроники является элементная интеграция- объединение в одном сложном элементе многих простейших элементов. Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой (ИМС).
Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.
С точки зрения интеграции основными параметрами интегральных микросхем является плотность и степень интеграции. Плотность упаковки характеризует количество элементов в единице объема ИМС, степень интеграции – количество элементов, входящих в состав ИМС. По степени интеграции все ИМС принято подразделять на ИМС : первой степени интеграции – до 10 элементов, второй степени – от 10 до 100 элементов, и третьей степени – от 100 до 1000 элементов и т.д.
В отличии от полупроводниковых диодов и транзисторов ИМС представляют собой не отдельные элементы, а целые функциональные устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов. В зависимости от назначения в интегральной микросхеме могут нормироваться разные параметры, характеризующие функциональное устройство в целом. По назначению все ИМС подразделяются на 2 класса : линейно-импульсные и логические.
К линейно-импульсным микросхемам относят микросхемы, которые обеспечивают примерно пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами. Входным сигналом чаще всего является входное напряжение, реже входной ток, выходным сигналом – выходное напряжение. Простейшим примером линейно-импульсной микросхемы является широкополосный усилитель постоянного тока. Ориентировочные параметры такого усилителя следующие : К >= 50 000, Rвх >= 0.5 MОм, Rвых <= 100 Oм, fв= 20МГц. Где : К – коэффициент усиления по напряжению , Rвх – входное сопротивление, Rвых – выходное сопротивление , fв- верхняя граница частотного диапазона.
Логические интегральные микросхемы, как правило, представляют собой устройства с несколькими входами и выходами. В них как входные, так и выходные напряжения могут принимать лишь определенные значения. Основными параметрами этих микросхем являются входное и выходное напряжения и быстродействие.
Общетехнические параметры ИМС - механическая прочность, диапазон рабочих температур, устойчивость к пониженным и повышенным давлениям и влагостойкость – обычно не хуже, чем у диодов и транзисторов
Как было отмечено, важным преимуществом интегральных микросхем является их высокая надежность. Другим не менее важным преимуществом являются их малые массогабаритные параметры. Большие интегральные микросхемы (БИС), содержащие до нескольких десятков-сотен тысяч элементов, имеют массу, не превышающую нескольких грамм. При этом большая ее часть приходится на корпус, выводы и подложку, а не на активные полупроводниковые элементы. Плотность активных элементов в самой БИС достигает 10 000 эл/куб.см. Это в 50-100 раз больше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, резисторов и т.д. в микромодульных схемах.
Интегральные микросхемы обладают высоким быстродействием, так как их малые размеры обеспечивают снижение таких паразитных параметров, как межэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводников. Это позволяет создать высокочастотные усилители на частоты 1-3 ГГц и быстродействующие логические схемы с задержкой не более 0,1 нс.
Достоинством ИМС является также их высокая экономичность. Даже большие интегральные микросхемы обычно потребляют не более 100-200 мВт, существуют микросхемы, потребляющие от источника питания не более 10-100 мкВт. Такие низкие потребляемые мощности позволяют снизить расход электроэнергии, уменьшить массу источников питания устройств, выполненных с применением интегральных микросхем.
Интегральные микросхемы на два сильно отличающиеся друг от друга класса : 1) полупроводниковые ИМС ; 2) гибридные ИМС.
Полупроводниковая ИМС – полупроводниковый кристалл, в толще которого
Выполняются все компоненты схемы : полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность проводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединения между элементами схемы.
Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:
1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью до 200-400 пФ используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Наиболее предпочтительными элементами являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа , затем другие полупроводниковые приборы. Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС не выполнимы.
2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элементы на одном кристалле имеют практически идентичные параметры.
3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном предприятии.
4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС велики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями .
5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния ( размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.
Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема : пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра, что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать 100 кОМ. Пленочные конденсаторы имеют структуру. Конденсатор состоит из трех пленочных слоев : металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов достигает 10 000 пФ и более. Дроссели выполнены в виде спирали, они имеют небольшую индуктивность, не более 10 мкГн. Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными : эти элементы приклеиваются в определенных местах к плате, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.
Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами :
1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.
2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых.Возможна подгонка номиналов конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).
3. Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи.
4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями ( сотни и даже десятки экземпляров).
5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.
Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т.е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж. Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т.е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно не высок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС.
6. Операционные усилители (ОУ): параметры и характеристики
Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению кu= 
=5×103 - 5×106 и высокое входное сопротивление Rвх=20 кОм - 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.
В данной работе использована микросхема К544УД1А, которая представляет собой операционный усилитель общего назначения с высоким входным сопротивлением. приведены условные обозначения и типовая схема включения ОУ. Он имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход Uвх.и. приращение выходного сигнала Uвых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением Uвх, а при подаче на неинвертирующий вход - совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.
Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) Uвых=f(Uвх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) кU(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого кU= =const, и нелинейный - кU¢<кU. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки.