Пассивные элементы электронных схем

Полупроводниковые элементы
Электронно-дырочный переход Москатов Е.А.
Transend/Электроника лекции для ЗО/WWW/grz.ru
Собственная проводимость полупроводников. Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой.
Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена приведенным образом.

Электронно-дырочный переход
Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.
Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью. Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n-типа. В полупроводнике
n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

Электронно-дырочный переход
При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.
Примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью.
Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа.
В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.

Электронно-дырочный (p-n) переход
Образование электронно-дырочного перехода Прямое и обратное включение p-n перехода Свойства p-n перехода
При сплавлении полупроводников различных типов на стыке создается область, которая называется электронно-дырочным переходом или р-п переходом. Марченко
Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Распределение потенциала в p-n переходе Джонс

Прямое включение
Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током.
+

Обратное включение
+
Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область,
а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.
-

Свойства p-n перехода
К основным свойствам p-n перехода относятся:
свойство односторонней проводимости;
температурные свойства p-n перехода;
частотные свойства p-n перехода;
пробой p-n перехода.

Диоды и их свойства Марченко
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним р-n переходом, имеющим два вывода: анод А и катод К (рис. 1.3).

Устройство, классификация и основные
параметры полупроводниковых диодов
Классификация диодов производится по следующим признакам:
1] По конструкции: плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды.
2] По мощности: маломощные; средней мощности; мощные.
3] По частоте: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ.
4] По функциональному назначению:
выпрямительные диоды;
импульсные диоды;
стабилитроны;
варикапы;
светодиоды;
тоннельные диоды
и так далее.

Маркировка
Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:
К С -156 А
Г Д -507 Б
I II III IV
Рис. 26
I – показывает материал полупроводника:
Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.
II – тип полупроводникового диода:
Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; C – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц – выпрямительные столбы и блоки.
III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:
101-399 выпрямительные; 401-499 ВЧ диоды; 501-599 импульсные
IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

Условно-графическое обозначение

Устройство плоскостных диодов
Металл
Металл

Устройство точечных диодов

Транзисторы
Биполярные транзисторы
Классификация и маркировка транзисторов. Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность.
Классификация транзисторов производится по следующим признакам:
По материалу полупроводника – обычно германиевые или кремниевые;
По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой проводимостью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n - структура);
По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные);
По частотным свойствам;
По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3-3 Вт), мощные (>3 Вт).

Маркировка транзисторов

Устройство биполярных транзисторов
Область, имеющая большую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором.
Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером.
Р-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом.

Устройство биполярных транзисторов
Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации
основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе (рисунок 62).

Принцип действия биполярных транзисторов.
+
+
Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие – электронную и дырочную.

Принцип действия биполярных транзисторов.
Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго – снимается выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи. Таким образом, рассмотренная выше схема получила название схемы с общей базой.

Вольт-амперные характеристики
биполярных транзисторов Марченко
Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сигнале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.
Для схемы с ОЭ

Характеристики трнзисторов
Для сравнительного анализа транзисторов и аналитического расчета электронных схем, в которых они применяются, придумано и используется значительное количество параметров.
В настоящее время основными считаются смешанные (или гибридные) параметры, обозначаемые буквой h или Н (Жеребцов).
Это параметры низкой частоты и малого сигнала. Транзистор представляется в виде линейного четырехполюсника (рис. 1.17)
(состоящего из резистивных элементов и управляемого источника тока), описываемого системой из двух уравнений:

Эквивалентная схема транзистора

Параметры транзисторов, выраженные через амплитуды переменных составляющих токов и напряжений
Входное сопротивление:
Коэффициент обратной связи по
напряжению:
Коэффициент усиления по току
(коэффициент передачи тока):

Схемы включения биполярных транзисторов Марченко

Усилительные свойства биполярного транзистора..
Усилительные свойства биполярного транзистора. Независимо от схемы включения,
транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления:
KI = Iвых / Iвх – по току;
KU = Uвых / Uвх = (Iвых ∙ Rн) / (Iвх ∙ Rвх) = KI ∙ Rн / Rвх – по напряжению;
KP = Pвых / Pвх = (Uвых ∙ Iвых) / (Uвх ∙ Iвх) = KI∙KU – по мощности.

Полевые транзисторы
Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток стока (С) через полупроводниковый канал п или ртипа управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И)

Принцип действия полевого транзистора Джонс

МОП – транзистор Джонс

Применение транзисторов
На базе транзисторов можно строить аналоговые и цифровые устройства.
Аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию, с неограниченным числом значений в различные моменты времени
усилители - это устройства, которые за счёт энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности.
Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Википедея

Усилители постоянного и переменного тока
Усилители постоянного тока представляют собой усилители с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Они позволяют усиливать сигналы постоянного тока.
Основной элементной базой для создания усилителей с непосредственной связью являются линейные интегральные схемы – операционные усилители.
Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью.

Операционные усилители ОУ – это высококачественный усилитель постоянного тока.
Операционный усилитель и его особенности. К операционным усилителям относят унифицированные многокаскадные усилители, которые выполнены в виде интегральных схем и обладают следующими основными свойствами:
=> имеют два входа и один выход. При этом один из входов является прямым, другой — инверсным. Увеличение напряжения на прямом входе усилителя вызывает увеличение выходного напряжения, а увеличение напряжения на инверсном выходе — уменьшение. При подаче на оба входа усилителя нулевого напряжения его выходное напряжение практически равно нулю. Благодаря этому ОУ имеет симметричную амплитудную характеристику;
=> имеют два вывода для подключения напряжения питания. Обычно напряжения питания симметричны, например, ±6 В. Реже встречаются несимметричные напряжения питания (например +12 и -6 В). Кроме этого ОУ имеют вспомогательные (не несущие функциональной нагрузки) выводы с метками FC — для присоединения цепей, корректирующих АЧХ ОУ, и с метками NC — для балансировки ОУ (установки нуля на выходе);
=> обладают очень большим коэффициентом усиления (порядка 105...106 ), высоким входным (от сотен килоом до сотен мегаом) и малым выходным (от единиц до нескольких сотен ом) сопротивлением, широкой полосой частот (от 0 до десятка мегагерц), низким уровнем шума и хорошей температурной стабильностью.

Некоторые
особенности использования ОУ
Большое значение КU ограничивает линейный участок передаточной характеристики ОУ очень малыми напряжениями по входу (см.рис.14.6а). Например, если Кu =20000, а максимальное напряжение на выходе ОУ -ОУ ⁺⁻ 10В , то максимально допустимый диапазон изменений входного напряжения лежит в пределах . При увеличении входного напряжения за эти границы выходное не будет изменяться

Назначение ОУ
Термин «операционный усилитель» первоначально использовали для обозначения усилителей постоянного тока, на которых строились аналоговые вычислительные машины. Предназначались эти высококачественные усилители для проведения математических операций в аналоговой форме (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) выполняют исключительно в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Это высококачественные усилители постоянного тока. Различают идеальный и реальный ОУ.
Под идеальным ОУ понимают усилитель, обладающий следующими параметрами:
Реальные ОУ обладают параметрами, близкими к идеальным:
Ки= 105...107; Квх = 0,1...1,5 МОм (без ООС); Rвых = 50...600 Ом (без ООС);fmin = 0; fmax=15...20МГц; Iвх = 0,1... 1 мкА

Входные каскады ОУ
Входные каскады ОУ представляют собой дифференциальные усилители и имеют два входа: инвертирующий и неинвертирующий (рис. 1). На инвертирующий вход подается входной сигнал Uвх1. Этот сигнал находится в противофазе с выходным Uвых (рис. 4.42, а). Сигнал, поданный на неинвертирующий вход (Uвх2), синфазен с выходным сигналом (рис. 4.42, б). Следовательно, при наличии двух входных сигналов выходной сигнал определяют следующим образом:

Принцип построения и свойства дифференциального каскада новожилов

Графики напряжений на входе и выходе

Точку М в схеме на рис., где резисторы подключаются к инвертирующему входу, называют мнимой землей, потому что в случае, когда коэффициент усиления напряжения стремится к бесконечности, разность потенциалов между входами усилителя должна быть пренебрежимо малой, а ток входа равен нулю
Мнимая земля

Инвертирующий усилитель Выходное напряжение ОУ в зависимости от входного

Основные характеристики инвертирующего ОУ
KU =Uвых / Uвх =- Rос / Rвх
Rвх = 5…10 Rвых ис
R = Rвх Rос /(Rвх +Rос)

Неинвертирующий ОУ
Входной сигнал подается на прямой вход . С выхода ОУ напряжение ОС через делитель R1R2 поступает на инвертирующий вход ОУ
Uoc = Uвх Отсюда Кu = (R1 + R2)/ R1
Uос = Uвых R1/(R1 + R2)

Повторитель напряжения на ОУ
Он представляет собой неинвертирующий усилитель со 100%-ной обратной связью (рис. 4.47)
Особенности повторителя:
высокое входное сопротивление (Квх -> ∞);
низкое выходное сопротивление (Rвых-> 0);
большой коэффициент усиления по току
(KI-> ∞);
коэффициент усиления по напряжению несколько меньше единицы (Ки~ 0,97...0,99).

Принципы построения функциональных узлов на ОУ.
Рассмотрим особенности построения узлов, реализующих линейные операции. Для простоты изложения воспользуемся моделью идеального ОУ, который имеет:
=> коэффициент усиления напряжения Ки —> ∞
=> входное сопротивление ОУ Rвх —> ∞
=> входной ток Iвх равен току Iвых в цепи обратной связи;
=> выходное сопротивление ОУ Rвых —> 0.

Интегрирующая и дифференцирующая схемы

Инвертирующий сумматор

Неинвертирующий сумматор

Вычитатель

Сумматор и вычитатель на ОУ