Лекции по "Микроэлектронике"

 

Рисунок 22 – Конструктивно-схематическая  модель полевого транзистора

На сток подают напряжение такой полярности, чтобы основные носители канала двигались к истоку, то есть в n-канальном «+», а в p-канальном – «-». Между затвором p⁺ и каналом n образуется p-n-переход, в основном располагающийся в области каналов, поскольку он слабо легирован. На затвор относительно истока подают управляющее напряжение такой полярности, чтобы p-n-переход был смещен в обратном направлении. При изменении направления в затворе, изменяется ширина p-n-перехода области, объединенной носителями зарядов, а вместе с этим и ширина проводящей части канала. В результате изменяется сопротивление «сток-исток», а следовательно и ток стока.

Полевой транзистор оценивается следующими параметрами:

1) Напряжение отсечки  – такое напряжение затвор-исток,  при котором проводящая часть  канала смыкается по всей длине.

2) Напряжение насыщения – такое напряжение сток-исток, при котором смыкание канала происходит у стока.

Статитические ВАХ n-канального полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. На рисунке 23 иллюстрируется семейство ВАХ полевого n – канального транзистора - выходная ВАХ и - передаточная.

 

 

Рисунок 23 – Семейство  ВАХ полевого n – канального транзистора.

Выходную ВАХ полевого транзистора иногда называют стоковой.

Передаточная характеристика характеризует процесс управления I_с входным напряжением.

U_{зи отсечки} → ток I_с обращается в ноль.

МДП-транзисторы  или транзисторы с изолированным  затвором.

В этих транзисторах металлический затвор изолирован от токопроводящего канала, образованного при поверхностном слое полупроводника, слоем диэлектрика. Принцип действия МДП-транзистора основан на управлении пространственным зарядом канала (то есть проводимостью канала ρ) через слой диэлектрика. В зависимости от способа создания канала, МДП-транзисторы бывают двух видов:

МДП-транзисторы  с встроенным каналом. В них канал создаётся при изготовлении транзистора (рис. 24).

 

Рисунок 24 - МДП-транзисторы с встроенным каналом

 

Рисунок 25 - Выходная ВАХ МДП-транзисторы с встроенным каналом

 

На рисунке 26 показана передаточная ВАХ

 

 

Рисунок 26 - Передаточная ВАХ МДП-транзистора

 

МДП-транзистор с индуцированным каналом. На рисунке 27 представлены ВАХ и передаточная характеристика МДП-транзистор с индуцированным каналом.

 

 

Рисунок 27 - Передаточная ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом.

В подобном транзисторе:

1)U_зи=0 области стока и истока отделены друг от друга двумя p-n-переходами, смещенными в обратном направлении.

2)При U_зи>0 в объеме подложки создается электрическое поле, которое втягивает электроны в приповерхностный слой под затвором, изменяя ток проводимости этого слоя на противоположный, что  создает канал.

При изготовлении такого транзистора канал не создаётся, то есть области стока и истока отдельны друг от друга. Однако при подаче на затвор положительного напряжения под действием поля, в приповерхностной области затвора, появляется канал за счёт электронов втягиваемых в эту область из объёма подложки и областей стока и истока, то есть канал индуцируется электрическим полем.

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются источником тока, который создает выходной ток, пропорциональный управляющему напряжению.

I=SUзи, S₀=I_с/U_зи – крутизна полевого транзистора.

С ростом частоты переменного  гармонического сигнала крутизна становится частотно зависимой:

 

ЛЕКЦИЯ 7

Расчет низкочастотных усилителей малой мощности

на биполярных транзисторах

 

Общие сведения и определения. Во многих областях науки и техники, и в частности, в системах управления возникает необходимость усиления некоторых электрических сигналов, которые могут быть как переменными во времени, так и относительно постоянными. Устройства, предназначенные для этих целей, называются усилителями.

Источники первичных (входных  для усилителя) электрических сигналов называются датчиками, функция которых состоит в преобразовании измеряемых параметров различной физической природы в электрический сигнал. Физические принципы и конструкции датчиков довольно разнообразны, например, индукционные, индуктивные, резистивные, емкостные, пьезоэлектрические, магнитострикционные, фотоэлектрические и др. [1] 

В основу классификации  усилителей положены различные признаки. По характеру усиливаемых сигналов они могут быть усилителями переменных (гармонических, импульсных, сложной  формы)     сигналов и постоянного тока. По мощности усилителя делятся на маломощные, усилители средней мощности  и мощные усилители. По диапазону усиливаемых частот бывают усилители низкой частоты – усилители звуковых частот, усилители промежуточной частоты, усилители высокой частоты. Усилители бывают узкополосные и широкополосные. Очень часто есть необходимость усиливать сигналы очень узкой полосы и тогда подобные усилители называются селективными [9] . Усилители выполняются на электронных лампах, биполярных и полевых транзисторах, туннельных диодах,  магнитных элементах и т.д.

Технические характеристики усилителя определяются выходной мощностью  сигнала, выходным напряжением или  током, коэффициентом усиления и  коэффициентом полезного действия, полосой пропускания, температурной стабильностью, коэффициентом нелинейных искажений и показателями шума, чувствительностью, входным сопротивлением и т.д.

Выходные параметры  усилителя, такие как, выходной напряжение, ток, мощность зависят от назначения усилителя и типа нагрузки. Если считать нагрузку активной, то указанные параметры находятся из следующих выражений:

Uн = IнRн; Pн = IнUн = I²н Rн = U²н /Rн.                                 

Входные параметры рассчитываются по формулам

Uвх = IвхRвх;  Pвх = IвхUвх ; Rвх = Uвх/Iвх                             

Коэффициент усиления усилителя  вычисляется, как отношение напряжения на выходе усилителя к напряжению на входе

К = Uн /Uвх

Для многокаскадного  усителя общий коэффициент усиления вычисляется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов

К = К₁ К₂ К₃ ………………..Кn

Коэффициент полезного  действия выходной цепи усилителя определяется отношением мощности сигнала отдаваемой выходной цепью к потребляемой ею от источника питания выходной цепи

η = Р~ /Р₀

Существует еще оценка КПД усилителя мощности, равная отношению  мощности в нагрузке к суммарной  мощности, потребляемой им от всех источников

η _ус = Р~ /Р₀

Наличие в схеме усилителя  реактивных элементов (емкостей, индуктивностей) приводит к неодинаковому усилению составляющих частотного спектра сигнала, т.е. появляются частотные и фазовые искажения. Степень искажений определяется частотной характеристикой усилителя определяется коэффициентом усиления на данной частоте. На рисунке 28 приведена условная амплитудно-частотная характеристика  (АЧХ) усилителя.

 

Рисунок 28- Амплитудно - частотная и фазовая характеристики транзистора.

 

Частотные искажения  усилителя, на какой либо частоте  определяются относительным усилением Y = K /Kср или коэффициентом частотных искажений М = Кср /К = 1/Y . В средней части частотной характеристики эти отношения будут равны единице М = Y = 1 и, чем больше они отличаются от единицы, тем больше искажения.

Кроме частотных  искажений, существуют еще нелинейные, которые обусловлены нелинейностью характеристик отдельных элементов схемы, например нелинейность входной характеристики транзистора. Нелинейность характеристики приводит к тому, что при подаче на вход транзистора идеальной синусоиды, на выходе появится спектр, состоящий их множества высших гармоник.  Уровень нелинейных искажений (коэффициент гармоник) усилителя определяется отношением U1m – первой гармоники к корню квадратному из суммы квадратов U2m, …………….Ukm – амплитудные значения первой, второй, третьей………..к-й гармоники.

Очень важную роль в усилителях играет отрицательная  обратная связь (ОС).  В зависимости от способа снятия сигнала обратной связи с выхода и подачи его на вход усилителя различают четыре типа обратной связи              [ 6.9]. Название типа ОС состоит из двух слов. Первое слово определяет, как сигнал подается на вход, второе – как снимается с выхода. Внизу рассматриваются следующие четыре типа обратной связи:.

 

 

 

 

 

Рисунок 29 -Последовательно – параллельная обратная связь

 

 

Рисунок 30 - Параллельно – параллельная обратная связь:

 

При параллельной обратной связи по входу происходит суммирование токов.

 

Рисунок 31- Параллельно-последовательная обратная связь.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 32 - Последовательно – последовательная обратная связь.

 

Отрицательная обратная связь существенно изменяет некоторые характеристики усилителя, например, повышает стабильность параметров усилителя, но при этом уменьшается коэффициент усиления согласно выражению К_ос =К/(1+ bK) (b-коэффициент усиления ОС, а K- коэффициент усиления без обратной связи).

  Всякая последовательная обратная связь (по входу или по выходу) увеличивает соответствующее сопротивление в (1+bK) раз. Всякая параллельная обратная связь уменьшает соответствующее сопротивление в (1+bK) раз. Произведение bK называется петлевым усилением.

 

 

ЛЕКЦИЯ 8

Режимы  работы усилительных каскадов

 

Различают несколько  режимов работы усилительных каскадов: режим класса А; режим класса В; режим  класса С и ключевой режим класса Д. Режимы перечисленных классов  определяются выбором рабочей точки  «по постоянному току».

В режиме класса А ток  во входной и выходной цепи транзистора  течет с достаточным запасом  по величине на протяжении всего рабочего времени независимо от того, есть на входе полезный переменный сигнал, или его нет.

Более экономичным является режим класса В. Этот режим характерен для каскадов мощного усиления. В данном режиме рабочая точка покоя выбирается в начале рабочей области транзистора - за областью нелинейности. Транзистор в этом случае только «приоткрыт» и поэтому расход электроэнергии незначителен. Но  тогда, если представить входной сигнал синусоидой, усиливаться будет только одна  «полуволна» переменного сигнала, допустим положительная, так как вторая попадет в область отсечки, как это показано на рисунке 33. 

 

 

Рисунок 33 – Работа усилительного каскада в режиме класса В

 

Практические  рекомендации для расчета. Допустим, заданы технические условия и характеристики на проектирование маломощного низкочастотного усилителя, а именно: 

 U_{m вх}, мВ – амплитудное значение сигнала источника;

U_{m вых} , В – амплитудное значение напряжения на выходе усилителя;

R_н ,кОм – сопротивление в цепи нагрузки усилителя;

F_н F_в ,кГц – диапазон усиливаемых частот;

М_в = М_н = 1,18 – коэффициент частотных искажений;

t^o_окр ,^оС – рабочая температура усилителя;

Ек, В – напряжение питания в цепи коллектора;

Rи – внутреннее  сопротивления источника сигнала  (внутреннее сопротивление генератора).

Может быть и такой  вариант,  задан требуемый коэффициент  усиления по напряжению при известных параметрах источника сигнала.

В начале проектирования можно предположить, что  усилитель  низких частот будет реализован по трёхкаскадной схеме. Для многокаскадного  усилителя общий коэффициент  усиления равен произведению коэффициентов  усиления отдельных каскадов

К = К₁ К₂……….К_n

Связь между каскадами  будет осуществляться при помощи разделительных  конденсаторов, чтобы предотвратить влияние по постоянному току   одного каскада на другой.

Для первого каскада  наиболее применимой на практике в  усилителях низкой частоты малой мощности является схема с общим эмиттером, представленная на рисунке 34.

Рисунок 34 – Схема каскада усиления с общим эмиттером [2].

 

Расчет схем усилителей является итерационным процессом, т.е., после расчета всего тракта усиления и расчетной оценки, например, общего коэффициента усиления может появиться необходимость пересчета некоторых каскадов.   Расчет может вестись с конечного каскада, когда задана мощность на выходе усилителя и параметры нагрузки, а можно начинать расчет с первого каскада, когда заданы параметры датчика (внутреннее сопротивление датчика (источника сигнала) – Rг,  его выходной сигнал –Е_и) и, при этом необходимо  обеспечит заданный коэффициент усиления или амплитуду выходного напряжения и некоторые другие требуемые характеристики усиления.

Есть специальные схемные  решения усилителей, когда требуется  обеспечить усиление крайне малых амплитуд входного сигнала соизмеримых с уровнем шума усилителя, тогда используются «низкошумящие» биполярные транзисторы или полевые транзисторы.

Расчет первого каскада, который является предварительным, можно осуществит аналитически или  графоаналитически, используя вольт- амперные характеристики транзистора. Для каскадов предварительного усиления рекомендуется аналитический расчет, а для мощного усилителя необходимо использовать графоаналитический метод. Но в данном случае будут в качестве примера использованы оба метода.