Интегральные микросхемы

PAGE 141

Курс лекций Техническая электроника

Лекция 21

Интегральные микросхемы

21.1 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Для осуществления логических вычислений до 1906 г. применяются только электромеханические приборы (реле). Разработка вакуумной лампы в 1906 г. и транзистора в 1947 г1 послужила основой для начала работ по созданию электронных приборов. Начало изготовления ИС в 1959 г. привело к появлению первых поколений логических схем. Первые большие интегральные схемы (БИС) были выпущены в1967г.2 Начиная с 1975 г. ведутся работы по системному применению ИС и соответствующего программного обеспечения.

Многие виды кристаллов СБИС, предназначенные для системного применения, например анализаторы речи и запоминающие устройства, смогут удовлетворить требованиям по обработке больших объемов данных, свойственных эре информации. Она характеризуется тем, что большая часть людских ресурсов может быть отнесена к «информационным работникам», занимающимся сбором, накоплением, обработкой, распределением и использованием и использованием информации. На примере изменения структуры работающего населения США в двадцатом веке можно убедиться, что эра информации уже наступила (табл.1).

Таблица 1.Динамика изменения структуры работающего населения США3

Год

Сельское хозяйство

Промышленность

%

Сфера обслуживания %

Сфера информации %

1900

33

33

22

12

1950

9

36

19

36

1980

3

10

30

48

1990

2

13

35

50

Доля людей, производящих материальную продукцию в США составляет всего ~ 15%. Столь небольшое количество работников не в состоянии удовлетворить материальные потребности общества (потребности промышленности, сельского хозяйства, города и т.п., и, наконец, непосредственно человека), а эти потребности в США очень велики (например, США потребляет до 40% всех энергоресурсов и полезных ископаемых, добываемых человечеством). Очевидно, что на США работает пол мира. Однако человек потребляет не только материальный продукты, но и информационные (например, кино или программное обеспечение), которые производятся в США в огромном объёме. Очевидно, что перераспределение ресурсов человечества в пользу США связано с большой долей «информационных работников», доля которых в США составляет 50% (в Европе несколько меньше).

Некоторые социологи Запада считают, что настала эра информации, за которой может последовать некий "глобализационный" проект общежития, касающийся всего человечества. Некоторые черты этого проекта уже сейчас стали заметны, например присвоение человеку индивидуального идентификационного номера налогоплательщика (ИНН). Или повышение приоритета «права человека» по отношению, например, к «праву государства». Ведущие социологи мира предполагают, что именно в XXI веке мировое сообщество перейдёт к новому проекту общежития.

Важным фактором, приводящим к вступлению человечества в новую фазу существования, является прогресс технологии ИС. Он характеризуется увеличением числа элементов в кристалле, уменьшением размеров отдельных элементов и снижением их стоимости. Интересно, что, начиная с 1970 года каждые полторадва года идёт удвоение элементов на кристалле. Это наблюдение, сделанное Гордоном Муром, ныне почётным директором корпорации «Intel», ещё в 60-е годы ХХ века, возведено в наши дни в ранг «закона Мура», вследствие его почти мистического выполнения. Так, с 1970г. до начала XXI века, число транзисторов на одном кристалле возросло с 2 тыс. шт. до млрд. шт. (см. рис. 21.1), а на схемах памяти до нескольких млрд. шт.; размер элемента снизился с 5 мкм до 0,022 мкм; стоимость кристаллов памяти в пересчете на 1бит информации уменьшилась в ~ 1000000 раз и дошла до 10-7 цента за бит. Благодаря этому объем сбыта ИС только в США превышает 80млрд.$ и превосходит объем продаж изделий автомобильной, химической и сталелитейной промышленности, причем значительную долю составляют сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и ультра большие (УБИС), содержащие соответственно более 105 и 107 элементов в кристалл. В 2013 г. число транзисторов в одном чипе, изготовленном по нормам 22 нм дошло до 2,6 млрд. шт.

Основным направлением в создании ИС 2010-х годов является создание интегрированных систем, т.е. систем анализа и управления различными функциями, например, для автомобильных систем это: определением местоположения объекта, прием и анализ видеоинформации, двусторонняя связь с оператором по шифрованному (криптографическому) каналу, отслеживание состояния двигателя, дверей, колёс, мобильная аудио-видео связь и т.п. Такие сложные ИС представляют основу системы управления будущих мобильных роботов, которые могут составлять технологический уклад будущего проекта общежития. При этом количество транзисторов на кристалле может составлять десятки миллиардов, а размер затвора транзистора дойдёт до 10нм. Дальнейшее уменьшение размера представляется нецелесообразным, вследствие сильного влияния квантовых эффектов, делающих крайне затруднительным работу вентиля.

21.2 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Интегральная микросхема совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), изготовленных в едином технологическом цикле на одной и той же несущей конструкции подложке, и выполняющая определенную функцию преобразования информации.

По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают три типа схем: полупроводниковые, пленочные и гибридные.

Полупроводниковые ИС элементы которых выполнены в приповерхностном слое п/п подложки.

Пленочные ИС элементы которой выполнены в виде разного вида пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Как правило, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы).

Гибридные ИС комбинация пленочных пассивных и дискретных активных элементов, расположенных на общей диэлектрической подложке.

Полупроводниковые ИС в настоящее время разбиты на два класса: биполярные ИС и МОП (металл, окисел, полупроводник) ИС. Иногда встречается сочетание биполярных и МОП элементов.

Полупроводниковые ИС составляют основную номенклатуру выпускаемых изделий. Они изготавливаются на основе планарной технологии - метода группового создания неоднородностей в п/п подложке, изолирующем слое и в слое металлизации, где осуществляется соединение активных и пассивных элементов в одно целое.

Полупроводниковая подложка представляет собой, как правило, круглую пластину монокристаллического кремния диаметром 100, 150, 200, 300, 450 мм и толщиной от 0,5мм до 1 мм

21.3 технология ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИС

Последовательность выполнения отдельных операций на пластине, таких как химическая обработка, окисление, фотолитография, диффузия, нанесение проводящих и диэлектрических покрытий, травление слоёв для формирования микрорисунка, в результате которых получается необходимая структура микросхемы с заданными параметрами электрофизических характеристик элементной базы (толщины покрытий, глубины залегания примесей, размеры элементов, вольтамперные характеристики транзисторов, резисторов и др. элементов), называется маршрутом изготовления. Структура ИС представляет собой поперечное сечение всех слоёв, составляющих микросхему и проходящее через типовой элемент (транзистор), входящий в ИС. Наиболее удобно наблюдать структуру, специальным образом подготовленной ИС, с помощью растрового электронного микроскопа. Она может выглядеть так, как показано на рис.21.2. и рис 21.3, если ИС состоит из биполярных либо МОП транзисторов.

Маршрут изготовления составляется после получения технического задания на изготовление ИС, выработке требований к элементной базе и определения необходимых компромиссов, например, между простотой изготовления, размерами кристалла и стоимостью. Он включает в себя режимы получения необходимых толщин диэлектрика, глубин залегания примеси, толщины и состава проводящих и непроводящих покрытий. В маршрут входят операции контроля процессов и структуры.

Наиболее часто повторяющимся этапом формирования ИС является фотолитография. Она представляет собой перенос изображения микрорисунка с шаблона на пластину, покрытую слоем диэлектрика либо проводника (металла)

Шаблон – это стеклянная (кварцевая) пластина с изготовленным на ней микрорисунком определённого слоя микросхемы в виде металлической плёнки.

Чтобы создать микрорисунок микросхемы на пластине в каком-либо слое (само тело пластины ли диэлектрик на пластине, либо металл на пластине), необходимо кремниевую пластину, покрытую нужным слоем (диэлектрика либо металла) нанести фоточувствительное вещество (фоторезист), затем наложить на пластину шаблон с микрорисунком, затем сделать засветку пластины через фотошаблон ультрафиолетовым светом. В этом случае в фоторезисте пластины сформируется скрытое изображение , являющееся точной копией микрорисунка на шаблоне. После чего это скрытое изображение в фоторезисте можно проявить, поместив пластину в проявитель, в котором произойдет вытравливание засвеченной части. Оставшийся резист будет служить маской для последующего травления нанесённого на пластину слоя. После чего маскирующий резист удаляется с пластины. Остаётся лишь сформированный микрорисунок. Этапы формирования микрорисунка на плстине показазаны ниже.

21.3.1. Основные этапы изготовления кристалла

Формирование ИС можно условно разделить на три этапа:

блок межкомпонентной изоляции, задача которого изолировать отдельные элементы друг от друга, т.е. сделать все паразитные связи несущественными.

блок активной структуры, задача которого состоит в формировании p- n- переходов эмиттера, базы и коллектора биполярных транзисторов, либо затвора, подзатворного диэлектрика, стоков - истоков МОП транзисторов, а также в получении необходимого номинала резисторов и конденсаторов, входящих в схему.

блок металлизации, задача которого связать все компоненты схемы в одну конструкцию путем формирования шин металлизации и контактов к активным областям сквозь диэлектрическую межслойную изоляцию или к предыдущему уровню металлизации.

21.3.2. Финишные операции

Пластины, прошедшую длинную цепь групповых технологических операций, в результате которых в приповерхностных областях сформированы активные и пассивные элементы в виде ИС , соединённые определённым образом, поступают на финишные операции:

  1. контроль функционирования (отбраковка кристаллов)
  2. разделение пластины на кристаллы (скрайбирование)
  3. Далее сборочные операции:
  4. посадка кристалла в корпус
  5. разварка кристалла, т.е. выводов микросхемы на вывода корпуса
  6. герметизация корпуса
  7. контроль функционирования
  8. специальные испытания, подтверждающие надёжность и безотказность изделия при его эксплуатации в критических условиях (повышенная температура, влажность, радиационные воздействия, механические удары и т.д.

Далее собранные и проверенные таким образом кристаллы поступают на продажу

21.3.3 Изготовление КМОП структуры

Последовательность изготовления КМОП структуры с диэлектрической изоляцией (изоляцией окислом на подложке Р- типа показано на рисунках ниже с использованием окисления, фотолитографий, ионной имплантации, нанесение проводящих и диэлектрических покрытий, травления слоёв для формирования микрорисунка показана на рисунках ниже.

21.3.4 Межкомпонентная изоляция

Основными способами межкомпонентной изоляции являются: изоляция окислом, изоляция p- n - переходом, изоляция «канавкой» и изоляция с использованием диэлектрической подложки, отличающимися плотностью компоновки и стоимостью изготовления.

Как видно из рисунков 21.5-21.10 плотность упаковки увеличивается с использованием изоляции локальным окислом и ещё больше с изоляцией канавкой по сравнению с изоляцией pn переходом. Так для изоляции pn переходом характерно наличие зазора между высоколегированными областями из-за необходимости обеспечения высокого пробивного напряжения, а изоляция локальным окислом страдает боковым расползанием окисла («птичий клюв»).

Лекция 22

Работа транзисторов в режиме с нагрузкой

22.1 статический режим работы простейшего биполярного ключа

На рисунке 22.1 показана схеме простейшего транзисторного ключа.

(Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи).

Транзистор (npn типа) включен по схеме с общим эмиттером. Управляемой является коллекторная цепь с источником питания Ен и нагрузкой в виде резистора Rн. В управляющей (базовой) цепи включен источник управляющего напряжения Еб и последовательное сопротивление Rб.

Если напряжение Еб имеет отрицательную полярность, то эмиттерный переход смещён в обратном направлении, транзистор заперт и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение Uкэ на ключе близко к Ек.

Если напряжение Еб имеет положительную полярность и достаточно велико, то транзистор открыт, в цепь нагрузки протекает ток Iк и остаточное напряжение на ключе может быть равным нулю. Из сказанного следует, что рассматриваемый ключ является инвертирующей схемой, т.к.увеличение входного напряжения Еб от отрицательных значений к положительным сопровождается уменьшением выходного напряжения Uкэ от Ек до малого остаточного напряжения.

Остаточный ток и остаточное напряжение - главные статические параметры ключа.

В запертом состоянии ключа должно выполняться условие Еб < 0. (точнее Еб < 0.6B). При этом токи всех трёх электродов транзистора не превышают долей микроампера. Поэтому падением напряжения на сопротивлениях Rб и Rк можно пренебречь и считать Uб = Еб и Uкэ=Ек. Запертому состоянию ключа соответствуют точки А на рис. 22.2. Если напряжение Еб достигает значения U* (см. на входной характеристике), транзистор открывается. Начинает протекать базовый ток Iб1 и пропорциональный ему коллекторный ток Ik1, а потенциал коллектора соответственно уменьшается (точки 1 на рис. 22.2). При дальнейшем росте напряжения Еб потенциал базы Uб остаётся равным U* (рис. 22.2), но токи продолжают расти, а потенциал коллектора падать4.

В точке 2 при токе Iб2 потенциал коллектора Uк делается равным U* (рис. 22.2), а напряжение на коллекторном переходе Uкб=Uк-Uб - равным нулю. При ещё больших напряжениях Uкб становится отрицательным, т.е. прямым, и транзистор работает в режиме двойной инжекции. Однако до тех пор, пока прямое напряжение на коллекторном переходе остаётся меньше напряжения отпирания (0,6В), инжекция коллектора несущественна и ток коллектора продолжает расти пропорционально току базы.

Только в точке 3 при токе базы Uкб достигает напряжения отпирания (потенциал коллектора 0.1B), инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению коллекторного тока и этот ток остаётся практически неизменным. Такой максимальный ток называют током насыщения и обозначают Iк.н. Соответственно и режим двойной инжекции, характерный для открытого состояния ключа называют режимом насыщения транзистора. Открытому(насыщенному ) состоянию ключа соответствуют точки В на рис. 22.2. Управляющие ток и напряжения в открытом состоянии обозначены через Iб+ и Еб+.

Остаточные напряжения на ключе в точке В содержат две составляющие (см. рис. 22.3б): ,

где Uкэ - разность напряжений на переходах, IКНrКК - падение напряжения на горизонтальном сопротивлении коллекторного перехода (рис. 23.3а)

22.2 Работа усилительного элемента с нагрузкой

Простейший усилитель постоянного тока, выполненный на одном транзисторе показан на рисунке 22.4. Для таких усилителей характерно двуполярное питание, т.е.использование двух источников питания с напряжение +Ек и -Еэ относительно земли.

При наличии входного сигнала к постоянным составляющим токов и напряжений, обусловленных значениями +Ек и -Еэ добавляются переменные составляющие, пропорциональные Uвх. Таким образом можно записать, что полные величины токов и напряжений будут:

U=U0+U; I=I0+I.

Здесь верхний индекс "0" присвоен постоянным присвоен постоянным

составляющим, а переменные обозначены как приращения.

Положим UВХ=0 и изобразим эквивалентную схему усилителя на рис 22.5.

Здесь в цепь базы введено сопротивление Rб. Оно включает в себя внутреннее сопротивление базы rб, а также сопротивление источника сигнала или предыдущего каскада.

Обойдя входной контур схемы на рис. 22.5, получаем уравнение

. (22.1)

Т.к. , то найдем ток эмиттера

(22.2)

Потенциал коллектора имеет вид:

, (22.3)

где

Величины IЭ0 и UК0 задаются заранее. Их совокупность определяет, как говорят, рабочую точку (р.т.) транзистора в режиме покоя.

Выходные и входные изменения напряжений и токов показаны на рисунке 22.6.

22.2.1 Дифференциальные параметры

Сигнал Uвх вызывает изменения потенциалов токов в схеме, т.е. порождает переменные составляющие. Представим малосигнальную эквивалентную схему каскада в виде рисунка 22.7. (Здесь не учитывается ёмкость коллектора и его внутреннее сопротивление).

Здесь величины токов и напряжений написаны без знака .

Как следует из рис. 22.7 .

Учитывая, что , найдём ток эмиттера:

. (22.4)

Обычно величину RЭ выбирают из условия 5,

тогда

Коэффициенты, связывающие переменные составляющие между собой называют дифференциальными параметрами усилителя. Главный из этих параметров - коэффициент усиления - К - определяется как отношение выходного и входного сигналов:

(22.5)

Выходным сигналом принято считать переменную составляющую коллекторного напряжения UK . Из рис. 22.7 следует, что

, поэтому с учётом значения IЭ (22.4), и деля обе части на UВХ запишем:

. (22.6a)

Пренебрегая последними двумя членами в знаменателе получим:

(22.6б)

Знак "минус" свидетельствует о различии полярностей выходного и входного сигналов или (при синусоидальном сигнале) о сдвиге фаз выходного и входного сигналов на 180.

Желательно сопротивление RK делать большим, а RЭ малым. Однако в реальной схеме сопротивление RK определяется напряжением питания и рабочей точкой транзистора (см (22.3)), а сопротивление RЭ должно удовлетворять условию стабильности: . Поэтому практически величина К в рассматриваемом каскаде не превышает значений 4-5.

Подставляя в выражение (22.6а) значения RK и RЭ из (22.2) и (22.3) и полагая , получим: или

(22.7)

Для ЕК=12В, ЕЭ=3B и UK0=2B K4.5, т.е. невелико.

Если на выходе усилителя включена внешняя нагрузка RH (штриховая линия на рис.22.7), то в формулах (22.6) нужно заменить RK на RK RH, где - символ параллельного соединения.

Входное сопротивление RВХ определяется выражением:

, (22.8)

где IВХ - переменная составляющая базового тока, а напряжение UВХ считается приложенным непосредственно к базе. Значит, при расчёте входного сопротивления нужно полагать Rr=0.

По отношению к источнику сигнала входное сопротивление играет роль источника нагрузки. Поэтому чем оно больше, тем меньше нагружен источник сигнала и тем лучше передаётся его напряжение на вход каскада.

Из рисунка 22.7, полагая Rr = 0, получаем:

, (22.9)

Подставляя и деля обе части на , находим входное сопротивление в общем виде:

, (22.10)

Практически сопротивлениями rБ и rЭ можно пренебречь. Тогда

. (22.11)

Например, если =100 и RЭ=2кОм, то RВХ200 кОм

Выходное сопротивление определяется выражением:

, (22.12)

где (UВЫХ)ХХ – выходное напряжение при холостом ходе каскада (т.е. в отсутствии внешней нагрузки RН), а (IВЫХ)КЗ – выходной ток при коротких замыкании выходных зажимов (имеется в виду короткое замыкание для переменных составляющих).

Выходное сопротивление характеризует нагрузочную способность каскада: чем оно меньше, тем больший ток можно отбирать во внешнюю нагрузку и тем меньше может быть внешнее сопротивление.

По физическому смыслу выходное сопротивление схемы – это дифференциальное сопротивление, которое можно измерить со стороны выходных зажимов отсутствии входного сигнала (UВХ=0) и при отключённой внешней нагрузке (RН=). В таких же условиях осуществляют и теоретический расчёт величины RВЫХ.

Для схемы, изображённой на рис 22.7 можно записать

RВЫХ=RК

Лекция 23

23.1 режимы работы усилительного элемента

В зависимости от того, как расположена на передаточной характеристике исходная рабочая точка (точка покоя), различают несколько классов усиления: А, В, АВ и др. Классы различаются значениями к.п.д. и величинами искажений сигнала.

Класс А характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена в середине квазилинейного участка передаточной характеристики (рис. 23.1).

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал.

Из рис. 23.1 видно, что в этом режиме, что максимальное выходное напряжение и максимальный выходной ток равны:

; ,

тогда КПД, определяемое, как отношение мощности выходного сигнала к мощности, отбираемой от источника питания равно:

(или 25%) (23.1)

Очевидно, что в этом режиме искажения сигнала будут минимальными

Класс В характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе квазилинейного участка, а именно на той, которая соответствует запертому состоянию транзистора (рис. 23.3).

Очевидно, что в этом случае усиливаются только положительные полуволны входного сигнала. Поэтому выходное напряжение оказывается существенно несинусоидальным. Другими словами ему присущи существенные искажения входного сигнала.

Для класса В характерная так называемая двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой - отрицательную В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду.(рис. 23.4)

Коэффициент полезного действия такой системы можно оценить, исходя из того, что мощность, рассеиваемая в каждой из его половин, одинакова. Следовательно достаточно рассчитать мощность в течение одного полупериода. Т.к. из рис. 23.3 следует, что , (среднее значение синусоидального тока за половину периода). Тогда, учитывая (23.1) КПД принимает значение

(т.е.78%)

(Как правило реализацию двухтактной схемы организуют на комплиментарных транзисторах (см. ниже)

Примером двухтактной системы является простейшая схема класса В, выполненная на комплиментарных (npn и pnp) транзисторах (рисунок 23.6).

Нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов; следовательно они работают в режиме повторителей напряжения. Усиление мощности обусловлено усилением тока.

В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного сигнала открыт npn транзистор Т1, ток через нагрузку протекает по штриховой стрелке 1. Во время отрицательной полуволны открыт pnp транзистор Т2 и ток протекает по штриховой стрелке 2. Таким образом выходной сигнал двуполярный , как и входной. Однако, как следует из рис.22,6б такой простой схемы свойственны искажения. Для устранения таковых схему усложняют.

Под классом АВ понимают промежуточный случай между классом А и В: исходная рабочая точка лежит не на границе отсечки, а в области прямых смещений эмиттерного перехода, но при токах, значительно меньших, чем в классе А. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение большей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается.

Сравнение режима В и АВ приводится на рис. 23.8.

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. (См. рис. 23.9). Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну.

В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнал невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы (см. рис. 23.10).

В режиме D (digital - цифровой) прямоугольная форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. (см. схему на рис. 23.11). Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности.

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.

В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления:

Как отмечалось, режимы отличаются величиной нелинейных искажений и значением КПД.

Лекция 24

электровакуумные приборы

24.1 электронные лампы

Электровакуумный прибор — устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

К таким приборам относят как вакуумные электронные приборы (см. рис 24.1), в которых поток электронов проходит в вакууме (см., напр., клистрон), так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

24.2 -Виды электронной эмиссии

Термоэлектронная эмиссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)): , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, А — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект — эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

Вторичная электронная эмиссия

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

Ионно-электронная эмиссия

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

Взрывная электронная эмиссия

Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

24.3 Катод в вакуумных электронных приборах

В вакуумных электронных приборах катод — электрод, который является источником свободных электронов, обычно вследствие термоэлектронной эмиссии. В электронно-лучевых приборах катод входит в состав электронной пушки.

Для того, чтобы обеспечить эмиссию электронов с катода, его дополнительно подогревают.

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить. Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность и быстрее разогреваются, однако, обычно имеют меньший срок службы, при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током, а в ряде схем неприменимы из-за влияния разницы потенциалов на разных участках катода на работу лампы.

Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают нить накала (подогреватель). Такие лампы называются лампами косвенного накала.

Катоды ламп активируют металлами, имеющими малую работу выхода. В лампах прямого накала для этого обычно применяют торий, в лампах косвенного накала — барий. Несмотря на наличие радиоактивного тория в катоде, лампы прямого накала не представляют опасности для пользователя, поскольку удельная активность (количество распадов в секунду на единицу массы) тория мала.

24.4 Электровакуумный диод

Электровакуумный диод — вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц.

24.4.1 Устройство электровакуумного диода

Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала и вид лампы показан на рисунке 24.2.

Принцип работы

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка 1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).

ВАХ электровакуумного диода представлен на рисунке 24.3.

Участки вольт-амперной характеристики диода

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет 3 участка:

Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при U= 0 очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.

Участок закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается , где первеанс g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов. В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности первеанс растёт с ростом температуры из-за неравномерного его нагрева.

Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана: , где А — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

24.4.2 Основные параметры

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

Крутизна ВАХ: — изменение анодного тока в мА на 1В изменения напряжения.

Дифференциальное сопротивление:

Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном в обратном направлении (то есть изменена полярность катода и анода), происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.

Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для прекращения тока в диоде.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

24.5 Электровакуумный триод, или просто триод, — электронная лампа, имеющая три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом.

Наименование триод в 1950-70 годах, во времена становления полупроводниковой электроники, также употреблялось и для транзисторов — по числу выводов, часто с уточнением: полупроводниковый триод, или с указанием материала: (германиевый триод, кремниевый триод).

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века.

Сущность триода заключается в том, что относительно небольшим потенциалом на сетке можно управлять мощным анодным током.

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

Катод и анод у триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки. Катод, сетка и анод электровакуумного триода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обозначается символами с индексом g (от буржуйского слова grid - сетка).

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки (рис. 24.4), состоящую из промежутка катод-сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Еg. В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.

Разность потенциалов между сеткой и катодом называется сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается Ug или ug. При положительном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку и в ее цепи возникает сеточный ток (ток сетки), обозначаемый Ig или ig. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, подобна диоду.

Основной и полезный ток в триоде - анодный. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Во многих случаях сеточный ток уничтожают. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличает триод от биполярного транзистора, который всегда работает с током базы.

В проводе катода протекает суммарный ток, который называется катодным током:

ik=ia+ig

Катодный ток аналогичен эмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. В триоде катодный и анодный токи равны только при ug < 0, так как в этом случае ig = 0.

В ходе дальнейшего совершенствования триода (рис. 24.5) были разработаны многосеточные лампы: тетрод, лучевой тетрод, пентод и другие.

В настоящее время вакуумные триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Также, на базе ламп все еще делается некоторая часть высококачественной акустической усилительной аппаратуры классов Hi-Fi6 и Hi-End7, несмотря на то, что фиксируемый приборами коэффициент нелинейных искажений у почти любых современных транзисторных приборов во много раз меньше, чем у ламповых. Несмотря на высокую стоимость, такая аппаратура весьма популярна у музыкантов и аудиофилов. Триод — простая по конструкции лампа, имеющая при этом высокий коэффициент усиления, поэтому она хорошо вписывается в один из принципов построения альтернативной звукотехники — принцип минимализма, то есть, предельной простоты аппаратуры

Недостатки триода — большая проходная ёмкость анод-сетка (единицы пикофарад), препятствующая устойчивому усилению на коротких волнах (прибор предназначен для низкочастотного применения), а также низкий коэффициент усиления (до нескольких десятков).

Для снижения проходной ёмкости первоначально, конструкторы планировали поместить между сеткой и анодом заземлённый экран. В этом случае ёмкость между анодом и сеткой как бы разбивалась на две отдельные, последовательно соединённые ёмкости: анод-экран и экран-сетка. Из-за изменения напряжения на аноде через ёмкость анод-экран течёт ток, но далее он стекает большей частью на землю, а не в ёмкость экран-сетка, имеющую больший импеданс чем соединение экрана с землёй.

Конструкция экрана должна была быть такой, чтобы он не препятствовал свободному пролёту электронов от катода к аноду. Таким образом, между управляющей сеткой и анодом появилась вторая — экранирующая. При соединении её с катодом низкий отрицательный потенциал тормозит электронный поток, снижая и без того небольшой коэффициент усиления лампы. А при подаче на экранирующую сетку положительного напряжения электронный поток не только не тормозился, но и получал дополнительный разгон, увеличивая анодный ток. Заземление экранирующей сетки по переменному току устраняло частотные ограничения, связанные с проходной ёмкостью.

24.5 Экранированные лампы

Тетрод — электронная лампа, имеющая 4 электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), 2 сетки (управляющую и экранирующую) и анод. Изобретён Вальтером Шоттки в 1919. Приёмо-усилительные тетроды применялись в радиоприёмных трактах до массового распространения пентодов. Генераторные и модуляторные тетроды применяются по сей день в силовых каскадах радиопередатчиков. Лучевые тетроды нашли применение в выходных каскадах УНЧ и до сих пор широко используются в гитарных усилителях (реже — в высококачественных УНЧ). Особый класс приборов — электрометрические тетроды также имеют две сетки, но принципиально отличаются от обычных тетродов и конструктивно, и в практическом применении.

Один из самых первых тетродов отечественного производства СБ-154 (или 2Э1 по новой классификации) имел фантастические по тем временам параметры. Проходная ёмкость уменьшилась с 5 до 0,005(!) пФ, внутреннее сопротивление возросло с 30 кОм до 1,3 МОм, а коэффициент усиления превысил 1000. Экранированная лампа сразу же и бесповоротно вытеснила триоды из радиочастотного тракта и сделала возможным массовое производство радиоприёмников прямого усиления на диапазоны длинных и средних волн (ЭКЛ, ЭЧС-2, ЭЧС-3, СИ-235), ставшие относительно массовыми в СССР середины 1930-х годов. Буква «Э» в названиях этих приёмников означала именно «экранированный», а полностью название расшифровывалось так: экранированный, четырёхламповый, сетевой.

Отрицательное внутреннее сопротивление (рис. 24.5 справа) наблюдается в тетродах тогда, когда с ростом анодного напряжения отток вторичных электронов с анода на экранирующую сетку растёт быстрее, чем ток первичных электронов, падающих на анод. На анодной вольт-амперной характеристике наблюдается нисходящий участок. С дальнейшим ростом анодного напряжения динатронный эффект ослабляется, и ток начинает вновь возрастать. Как правило, отрицательное внутреннее сопротивление крайне нежелательно, так как может порождать самовозбуждение усилителя.

Пентод (от др.-греч. пять, по числу электродов) — вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка, подавляющая динатронный эффект

Так же как и в тетроде, бомбардировка анода электронами c энергией более 10…15 эВ порождает вторичную эмиссию с анода. В тетроде в режиме возврата вторичные электроны беспрепятственно движутся к экранирующей сетке, уменьшая ток анода. В ранних тетродах ток анода мог даже менять направление (обратный ток вторичных электронов превосходил прямой ток). В пентоде на пути от анода к экрану поставлено препятствие — третья сетка. Она не способна задержать быстрые первичные электроны, но эффективно препятствует обратному току медленных вторичных электронов. Свойственный тетродам динатронный эффект в пентодах подавлен: с ростом Ua вольт-амперные характеристики пентодов возрастают монотонно.

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Пентод выгодно отличается от тетрода отсутствием ниспадающего участка вольт-амперной характеристики, устойчивостью к самовозбуждению и меньшими нелинейными искажениями. Пентодам свойственно высокое выходное сопротивление — в большей части рабочих анодных напряжений пентоды эквивалентны управляемым источникам тока. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 % существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 % но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, больший уровень собственных шумов.

Лекция 25

ОСновы цифровой схемотехники

25.1 Ключ на биполярных транзисторах

Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов.

Переключающий транзистор допускает различные режимы работы (см. лекция 8, параграф 8.2), приведённые на рисунке 25.

Область I: область отсечки, коллекторный ток отсутствует, эмиттерный и коллекторный перехода обратно смещены.

Область II: активная область, эмиттер смещён в прямом направлении, а коллектор в обратном.

Область III: область насыщения, эмиттер и коллектор смещены в прямом направлении.

Для обоих режимов (II и III) выключенное состояние (OFF) характеризуется сдвигом рабочей точки по нагруженной линии в область отсечки транзистора.

Видно, что способ переключения определяется уровнем прямого тока и положением рабочей точки во включённом состоянии (ON). чаще всего применяют режим насыщения как наиболее близкий к режиму работы идеального ключа.

Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Простейший ключ на биполярном транзисторе показан на рис. 25.1,а. В установившемся режиме до момента времени t1 (рис. 25.1,б) эмиттерный переход транзистора заперт, и транзистор находится в режиме отсечки. Для этого режима ik0= - Ik0 (Ik0 — обратный ток коллектора), iЭ0. Если пренебречь током Ik0 , то можно считать, что ik=iб0. В этом случае

В интервале времени t1 t2 транзистор находится в открытом состоянии. Чтобы напряжение ukЭ было минимальным, напряжение U1 выбирают так, чтобы транзистор находился в режиме насыщения или в режиме, близком к насыщению.

Токи и напряжения на этом отрезке времени определяются выражениями

(25.1)

Для определения тока коллектора в режиме насыщения можно воспользоваться приближенной формулой

(25.2)

Напряжение на транзисторе в режиме насыщения находится в пределах 0.8 1 В. Мерой насыщения транзистора служит коэффициент насыщения qНАС, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосходит минимальное значение тока базы, при котором имеет место режим насыщения. Минимальный ток базы IбНАС МИН в режиме насыщения определяется выражением

(25.3)

а коэффициент насыщения определяется как

(25.4)

Выбирая значение коэффициента насыщения конкретного транзисторного ключа, необходимо руководствоваться следующими соображениями:

• насыщение должно быть обеспечено для всех транзисторов данного типа в рабочем диапазоне температуры;

• увеличение тока базы в режиме насыщения снижает величину падения напряжения на транзисторе между коллектором и эмиттером, что снижает мощность потерь в этой цепи транзистора, но снижение мощности практически прекращается при qНАС =3;

• увеличение тока базы приводит к увеличению потерь во входной цепи;

• при увеличении тока базы сокращается время включения транзистора, но возрастает время его выключения.

Временные диаграммы, соответствующие процессу включения транзистора, представлены на рис. 25.2.

На рис.25.2 пороговое напряжение между базой и эмиттером UбЭ ПОР соответствует некоторому малому значению тока базы (например, Iб < Iб НАС). Через Ik ПОР обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению UбЭ ПОР.

Интервал t1 t2 называют интервалом задержки включения, интервал t2 t3 — интервалом формирования фронта, а интервал t3 t4 — интервалом накопления заряда. Разность t3 t1 называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора IК НАС, величиной транзистора и временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это проявляется в том, что возникают токи электродов транзистора. Ток коллектора на рассматриваемом интервале мал. Явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора увеличиваются. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это явление условно называют накоплением неосновных носителей. Заряд неосновных носителей практически сразу компенсируется зарядом основных носителей. Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта tФ.

На интервале накопления заряда (t3 - t4) процесс накопления неравновесных носителей электричества продолжается, напряжение uКЭ незначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Временные диаграммы процесса выключения транзистора представлены на рис. 25.3.

На рис. 25.3 приняты следующие обозначения интервалов времени:

•t1 t2 — рассасывания заряда;

•t2 t3 — формирования спада;

•t3 t4 — установления;

•t1 t3 — выключения.

На интервале рассасывания ток базы, ограниченный резистором Rб, имеет отрицательное значение iб= -U2/Rб , если принять напряжение uбЭ = 0. На этом интервале времени концентрация неравновесных носителей электричества уменьшается, и в конце интервала транзистор выходит из режима насыщения. Время рассасывания возрастает при увеличении коэффициента насыщения.

Интервал форсирования спада tСП характеризуется снижением концентрации неравновесных носителей, уменьшением тока ik и увеличением напряжения на коллекторном переходе и напряжения uКЭ. В области коллекторного перехода изменяются объемные нескомпенсированные заряды (перезаряд барьерной коллекторной емкости).

На интервале установления tУСТ напряжение uбЭ изменяется от значения UбЭ ПОР до -U2. Изменяются также нескомпесированные объемные заряды переходов транзистора.

С момента времени t3 ток коллектора сравнивается с током базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении. В результате снижения тока базы до нуля транзистор выключается. Время выключения можно уменьшить увеличением запирающего отрицательного тока базы.

На рис. 25.4,а представлена схема транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, увеличивающим положительную и отрицательную амплитуды тока базы, и тем самым повышающим быстродействие транзисторного ключа. Диаграмма тока базы показана на рис. 25.4,б.

25.2 Ключ на полевых (МДП) ТРАНЗИСТОРАХ

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принцип работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Схема цифрового ключа на МДП—транзисторе с индуцированным каналом n — типа и резистивной нагрузкой и временные диаграммы, поясняющие работу ключа, показаны на рис. 25.5. На схеме емкость Cn соответствует суммарной емкости подключенных к ключу устройств. При отсутствии входного сигнала транзистор закрыт и напряжение между стоком и истоком uСИ=ЕС. При напряжении uВХ больше порогового напряжения UЗИ ПОР транзистор открывается и напряжение понижается.

Напряжение UВКЛ на открытом ключе зависит от сопротивления стока RC, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением RC, емкостью Cn и частотными характеристиками транзистора.

На рис. 25.6 представлена схема цифрового ключа на комплементарных МДП—транзисторах, которые взаимодополняют друг друга — транзистор Т1 с каналом n — типа и транзистор Т2 с каналом p — типа. Обозначим через UЗИ ПОР1 и UЗИ ПОР2 положительные пороговые напряжения для транзисторов Т1 и Т2 соответственно. Пороговые напряжения представляют собой минимальные значения напряжений, при которых транзисторы находятся в закрытом состоянии.

Когда uВХ=0, транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт. В этом режиме uСИ1ЕС, uСИ20. Если uВХ>UЗИ ПОР1, то транзистор Т1 будет открыт. Если обеспечить выполнение условия uВХ>EC-UЗИ ПОР2, то тогда транзистор Т2 будет закрыт, а uСИ10.uСИ2ЕС

Если обеспечить выполнение неравенства ЕС<UЗИ ПОР1+UЗИ ПОР2, то при изменении входного сигнала исключается состояние, когда оба транзистора включены. В случае невыполнения неравенства при некотором промежуточном значении напряжения uВХ оба транзистора могут быть включены, и через них протекает так называемый сквозной ток. Этот ток протекает в течении короткого промежутка времени, но тем не менее может нарушить работу или вывести из строя схему.

Достоинства ключа заключаются в следующем:

• и в открытом и в закрытом состоянии ключ практически не потребляет ток от источника питания;

• выходные напряжения в открытом и закрытом состоянии ключа резко отличаются друг от друга, что очень важно для цифровых схем с точки зрения повышения помехоустойчивости;

• высокое быстродействие ключа, которое на порядок выше быстродействия ранее рассмотренных ключей.

Повышенное быстродействие ключа на коплементарных транзисторах обусловлено тем, что разряд и заряд емкости Сn происходит через соответствующий открытый транзистор с очень малой постоянной времени. При этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает ток значительной величины, обеспечивая быстрый заряд емкости.

1 Изобретение Бардиным, Бреттейном и Шокли биполярного транзистора в Bell Lab.Incorporated.

2 Микросхемы для наручных электронных часов.

3 Технология СБИС, под редакцией С.ЗИ, Москва Мир 1986 стр. 13

4 Для нахождения рабочих точек используется метод линий нагрузки: по оси напряжений откладывается заданное напряжение (в данном случае величины Еб и Ек) и из этой точки проводится вольт-амперная характеристика нагрузки (в данном случае - резисторов Rб и Rк). Точка пересечения обеих характеристик - основной и нагрузочной - определяет ток и напряжение в цепи.

5 Условие стабильности

6 High Fidelity — высокая точность, высокая верность)

7 High End) — маркетинговый термин обозначающий высочайший («элитный») класс

Динатронный эффект в электронных лампах — «переход электронов вторичной эмиссии на другой электрод». В тетродах динатронный эффект порождает нежелательное состояние отрицательного внутреннего сопротивления, при котором рост анодного напряжения сопровождается уменьшением анодного тока (в крайних случаях анодный ток может и вовсе менять направление). В пентодах динатронный эффект подавляется введением третьей (антидинатронной) сетки, которая препятствует вылету вторичных электронов из поля анода.

Интегральные микросхемы