СХЕМОТЕХНИКА

Весовая функция определяется следующим соотношением

При g<1 пульсации в полосе пропускания меньше, чем в полосе задерживания, а при g>1 наоборот. При g=1 пульсации в полосе задерживания такие же, как в полосе пропускания.

В случае оптимального решения имеет по крайней мере K+2 экстремума.

Обозначим через , где i= 0,1,..K+1, нормированные частоты экстремумов.

На этих частотах должно выполняться условие

,

где i=0,1,..K+1

Приведенные соотношения представляют собой систему K+2 линейных уравнений с K+2 неизвестными, из которых K+1 неизвестная – коэффициенты C_k аппроксимирующей функции A(θ), а K+2-ая – неизвестная ошибка .

Трудность решения задачи состоит в том, что частоты f_Ni неизвестны.

Поэтому сначала произвольно выбирают K+2 значения частот, решают приведенную систему уравнений, находят C_k и и анализируют ошибку аппроксимации во всем интервале частот. Если в некоторых точках фактическая ошибка превосходит , то выбирают новое множество экстремальных частот путем рассмотрения K+2 точек, где эта ошибка максимальна и имеет чередующийся знак.

В этой процедуре значение на каждом шаге возрастает и, в конце концов, сходится к своей верхней границе.

В соответствии с этим алгоритмом написана машинная программа, нашедшая широкое применение при расчете фильтров.

2.15. Синтез рекурсивных цифровых фильтров методом билинейного Z – преобразования

Передаточная характеристика аналогового фильтра связана с импульсной характеристикой фильтра прямым преобразованием Лапласа

По аналогии с предыдущим соотношением дискретное преобразование Лапласа импульсной характеристики цифрового фильтра определяется выражением

Системная функция цифрового фильтра представляет собой Z-преобразование импульсной характеристики фильтра

Из сопоставления двух последних соотношений следует, что для нахождения H(z) при известной передаточной характеристике аналогового фильтра-прототипа нужно сделать подстановку

Передаточная характеристика аналогового фильтра-прототипа K(p) представляет собой дробно-рациональную функцию, у которой числитель и знаменатель выражаются полиномами относительно комплексной переменной p .

где n<m

Последняя подстановка не позволяет получить системную функцию в виде дробно-рациональной функции с полиномами относительно комплексной переменной z в числителе и знаменателе.

Чтобы найти системную функцию, воспользуемся приближенным выражением для ln(z)

.

Следовательно,

Последнее соотношение получило название билинейного Z- преобразования.

Докажем, что билинейное Z-преобразование преобразует устойчивый аналоговый фильтр в устойчивый цифровой фильтр. Для этого из последнего соотношения выразим z через p = s + jw

где .

Откуда

Из последнего соотношения видно, что при s<0 (условие устойчивости аналогового фильтра-прототипа) (условие устойчивости цифрового фильтра). На рисунке показаны затемненные области устойчивости аналогового фильтра - прототипа в плоскости p и цифрового фильтра в плоскости z.

Области устойчивости цифрового фильтра и

аналогового фильтра-прототипа

Таким образом, билинейное Z-преобразование преобразует левую полуплоскость плоскости p в круг единичного радиуса с центром в начале координат.

Найдем связь между цифровыми и аналоговыми частотами, на которых коэффициенты передачи цифрового фильтра и аналогового фильтра-прототипа одинаковы.

Используя билинейное Z – преобразование, можно выразить передаточную характеристику аналогового фильтра через системную функцию цифрового фильтра

Следовательно, комплексный коэффициент передачи аналогового фильтра можно выразить через системную функцию цифрового фильтра

С другой стороны, комплексный коэффициент передачи цифрового фильтра связан с системной функцией следующим соотношением

Из двух последних соотношений видно, что коэффициенты передачи цифрового фильтра и аналогового фильтра-прототипа равны при выполнении условия

Преобразуя последнее соотношение, получим

*

Таким образом, частота аналогового фильтра – прототипа связана с частотой цифрового фильтра при равенстве их комплексных коэффициентов передачи нелинейной зависимостью.

Однако, чем выше частота дискретизации, тем ближе частота аналогового фильтра – прототипа к частоте цифрового фильтра.

Если частота цифрового фильтра удовлетворяет условию , то с погрешностью не более 5% можно считать аналоговую и цифровую частоты одинаковыми.

Указанная нелинейная зависимость вызывает сжатие АЧХ цифрового фильтра по сравнению с АЧХ аналогового фильтра – прототипа.

АЧХ цифрового фильтра и аналогового фильтра – прототипа при использовании билинейного Z – преобразования

Чтобы избежать сужения полосы пропускания цифрового фильтра аналоговый прототип рассчитывают, исходя не из граничных частот полосового фильтра, а из частот, определенных по формуле * при подстановке в эту формулу граничных частот полосового фильтра. При этом получают цифровой фильтр с заданными граничными частотами.

Задача.

Требуется найти цифровой эквивалент аналоговой RC – цепи, представленной на рисунке

где

СХЕМОТЕХНИКА

Учебное пособие

Алматы 2012

УДК 621.3.049

ББК 32.844я73

И ___. Схемотехника

Учебное пособие / А.Т.Ибраев, Т.М.Жолшараева

АУЭС. Алматы, 2012.− 82 с.

ISBN

Рассмотрены основные сведения об электронных приборах, о работе аналоговых и цифровых электронных устройств, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Приведены структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы и описан принцип действия рассмотренных устройств.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 5B070300 – Информационные системы.

Табл.13, Ил.102, библ. – 15 назв.

РЕЦЕНЗЕНТЫ: КазНТУ, докт. техн. наук, проф. Н.Исембергенов

АУЭС, докт. техн. наук, проф.Ш.А.Бахтаев

Печатается по плану издания Министерства образования и науки

Республики Казахстан на 2012 г.

ISBN

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012 г.

Содержание

1.Общие сведения об электронных приборах 3

1.1 Полупроводниковые приборы 5

1.2 Контакты металл-полупроводник 7

1.3 Полупроводниковые диоды 8

1.4 Биполярные транзисторы 8

1.5 Усиление с помощью транзистора 13

1.6 Полевые транзисторы 14

2 Схемотехника аналоговых устройств 15

2.1 Дифференциальный усилитель 15

2.2 Выходные каскады усилителей 20

2.3 Операционный усилитель 22

3 Схемотехника цифровых устройств 28

3.1 Основные логические операции и логические элементы 29

3.2 Логические интегральные схемы 31

3.3 Комбинационные логические схемы 45

3.4 Последовательностные логические схемы 53

3.5 Цифровые запоминающие устройства 73

4. Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые устройства 75

4.1 Параллельные АЦП 75

4.2 Последовательные АЦП 76

4.3. Последовательно-параллельные АЦП 77

4.4. Цифро-аналоговые преобразователи 78

Список литературы 81
1. Общие сведения об электронных приборах

Электронным прибором (ЭП) называют устройство, в котором в результате взаимодействия свободных или связанных носителей заряда с электрическим, магнитным и переменным электромагнит­ным полем обеспечивается преобразование информационного сиг­нала или преобразование вида энергии.

Основными признаками классификации разнообразных по прин­ципу действия, назначению, технологии изготовления, свойствам и параметрам можно считать: вид преобразования сигнала; вид рабо­чей среды и тип носителей заряда; структуру (устройство) и число электродов; способ управления.

По виду преобразования сигнала все ЭП можно разбить на две группы. К первой группе относятся ЭП, в которых использу­ется преобразование одного вида энергии в другой. В эту группу вхо­дят электросветовые ЭП (преобразование типа электрический сигнал в световой), фотоэлектронные приборы (световой сигнал в электрический), электромеханические (электрический сигнал в ме­ханический), механоэлектрические ЭП (механический сигнал в элек­трический), оптопары (электрический сигнал в световой и затем сно­ва в электрический) и др.

Ко второй группе обычно относятся электропреобразователь­ные приборы, в которых изменяются параметры электрического сиг­нала (например, амплитуда, фаза, частота и др.).

По виду рабочей среды и типу носителей заряда различают сле­дующие классы электронных приборов: электровакуумные, газоразрядные (разреженный газ, электроны и ионы), полупроводниковые (полупроводник, электроны и дырки), хемотронные (жидкость, ионы и электроны).

Электроды электронного прибора — это элементы его конструк­ции, которые служат для формирования рабочего пространства при­бора и связи его с внешними цепями. Число электродов и их потенциалы определяют физические процессы в приборе.

Совокупность условий, определяющих состояние или работу электронного прибора, принято называть режимом электронного прибора, а любые величины, характеризующие этот режим (к приме­ру, ток или напряжение), — параметрами режима. Говорят об усилительных, импульсных, частотных, шумо­вых, температурных и механических свойствах, о надежности и т.п. Количественные сведения об этих свойствах называют параметра­ми прибора. К ним, например, относят коэффициенты передачи токов, характеристические частоты, коэффициент шума, интенсивность отказов, ударную стойкость и др.

Остановимся на понятиях статического и динамическо­го режимов приборов. Статическим называют режим, когда прибор работает при постоянных («статических») напряжениях на электро­дах. В этом режиме токи в цепях электродов не изменяются во вре­мени и распределения зарядов и токов в приборе также постоянны во времени. Однако, если хотя бы один из параметров режима, например, напряжение на каком-то электроде, изменяется во времени, режим называется динамическим. В динамическом режиме поведение при­бора существенно зависит от скорости или частоты изменения воз­действия (например, напряжения).

У большинства приборов эта зависимость объясняется инерци­онностью физических процессов в приборе, например, конечным временем пролета носителей заряда через рабочее пространство или конечным временем жизни носителей. Следователь­но, связь мгновенных значений тока и напряжения в динамическом режиме должна отличаться от связи постоянных значений тока и напряжения в статическом режиме. Однако если время пролета значительно меньше периода изменения переменного напряже­ния, то это отличие во взаимосвязи будет несущественным, т.е. связь мгновенных значений будет практически такой же, как посто­янных величин в статическом режиме. Указанная разновидность динамического режима называется квазистатическим режимом («квази» — означает «как бы» или «как будто»).

Обычно динамический режим получается в результате внешнего воздействия, например входного сигнала. Входной сигнал может быть синусоидальным или импульсным. Малым называют такой сигнал, при котором наблюда­ется линейная связь (прямая пропорциональность) между амплиту­дами выходного и входного сигналов.

1.1 Полупроводниковые приборы.

Рассмотрим процессы в n-p-переходе при отсутствии внешнего источника напряжения (см.рисунок 1.1). Так как носители заряда совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Концентрация электронов в n-слое больше, чем в p-слое, и часть электронов перейдет из n-слоя в p-слой. Одновременно наблюдается диффузионный переход дырок из p-слоя в n-слой. В результате рекомбинации носителей в n-слое остается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов (в основном донорной примеси), а в p-слое - нескомпенсированный объемный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле напряженностью . На потенциальной диаграмме n-p-перехода (см.рисунок 1.1б) за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. В n-p-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному перемещению носителей заряда. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. На рисунке 1.1, б изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться из области n в область p.

Таким образом, в n-p-переходе вследствие ухода электронов и дырок вглубь p- и n-областей образуется обедненный зарядами слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением в сравнении с сопротивлением остальных объемов n- и p-областей.

Если источник внешнего напряжения положительным полюсом подключить к полупроводнику p-типа и отрицательным к n-типа (прямое включение), то электрическое поле, создаваемое в n-p-переходе прямым напряжением , действует навстречу контактной разности потенциалов .

Потенциальный барьер понижается до величины Uк-Uпр, уменьшаются толщина запирающего слоя и его сопротивление Rпр.

Если полярность внешнего источника изменить на обратную, то потенциальный барьер возрастает до величины Uк+Uобр. В этом случае через переход могут пройти только неосновные носители: электроны из p-области в n-область и дырки во встречном направлении. Так как концентрация основных носителей заряда на насколько порядков выше концентрации неосновных, то прямые токи на несколько порядков больше обратных. Таким образом, электронно-дырочный переход обладает выпрямляющими свойствами, которые используются для создания диодов.

1.2 Контакты металл-полупроводник

Они используются в полупроводниковой электронике либо в ка­честве омических (невыпрямляющих) контактов с областями полупроводниковых приборов, либо в качестве выпрямляющих контак­тов. Структура и свойства таких контактов зависят от взаимного расположения уровня Ферми в металле и полупроводнике.

Рисунок 1.2

Потенциальный барьер в приконтактном слое, равный разности работ выхода металла и полупроводника (j_к = j_М – j_n на рисунке 1.2), называют барьером Шоттки, а диоды, использующие эти барьеры, – диодами Шоттки или диодами с барьером Шоттки (ДБШ).

Важной особенностью барьеров Шоттки по сравнению с р-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти переходы «работают» на основных носителях, поэтому у них отсут­ствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием основных носителей, и выше быстродействие.

Особенностью переходов с барьером Шоттки является то, что их ВАХ ближе всего к экспоненциальной ВАХ идеализированного р-n-перехода, а прямое напряжение значительно меньше (примерно на 0,2 В), чем в р-n-переходах.

1.3 Полупроводниковые диоды.

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

· методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;

· материалу: германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и др.;

· физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;

· назначению: выпрямительные, универсальные, импульс­ные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смеситель­ные, СВЧ-диоды и др. Их изготавливают на основе германия или кремния.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3

1.4 Биполярные транзисторы.

Транзи́стор (от англ. transfer — переносить и resistance — сопротивление) — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

В настоящее время широко используются биполярные транзисторы (БТ) и транзисторы на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1—2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ.

По основным полупроводниковым материалам различают транзисторы: германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые. Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рисунке 1.4

Рисунок 1.4

Транзистор представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n–p–n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа p–n–p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n–p–перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше (т.е. область базы самая высокоомная), чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно iб, iэ, iк. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером Uб-э, между коллектором и базой Uк-б.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

Активный режим – напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки (запирания) – обратное напряжение подано на оба перехода.

Режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение.

Основным в аналоговых устройствах является активный усилительный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки, насыщения и активный инверсный (напряжение на эмиттерном переходе обратное, а на коллекторном – прямое) характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи: входная (управляющая) – в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая) – в нее включается нагрузка.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n в образовании коллекторного тока принимают участие электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p типа – дырки.

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании трёх явлений:

- инжекции носителей из эмиттера в базу;

- переноса инжектированных в базу носителей к коллекторному переходу;

- экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор.

На рисунке 1.5,а показана структура транзистора n-p-n типа. С помощью внешних источников напряжения эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Таким образом, транзистор функционирует в активном режиме, когда проявляются его усилительные свойства.

Рассмотрим эти явления подробнее. При подключении к эмиттерному переходу прямого напряжения противоположно направленное внешнее поле компенсирует внутреннее поле перехода и уменьшает контактную разность потенциалов на величину Е_э (см.рисунок 1.5,б). Это приводит к возникновению инжекции электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Таким образом, в цепи эмиттера протекает эмиттерный ток I_э, который представляет собой диффузионный ток основных носителей и содержит две составляющих – дырочную и электронную.

φк-Еэ б) a) φк+Ек х φ

Рисунок 1.5

Поскольку дырочная составляющая эмиттерного тока замыкается исключительно в цепи эмиттер-база, она не участвует в образовании коллекторного тока, а значит является бесполезной, и её следует уменьшать. Поэтому при создании транзисторов область базы всегда легируют намного слабее, чем эмиттерную область(n_э>>p_б). При этом из эмиттера в базу инжектируется гораздо большая часть носителей, чем из базы в эмиттер.

Количественно процесс инжекции характеризуется величиной коэффициента инжекции, которая показывает, какую часть от полного тока эмиттера составляет её полезная часть I_эn.

.

Поскольку абсолютно исключить поток дырок из базы в эмиттер невозможно, то следует полагать, что g<1 всегда и в лучшем случае g»0.9995.

В результате инжекции электронов в базу у эмиттерного перехода их становится больше. Коллекторный же переход включён в обратном направлении и работает в режиме экстракции. Он втягивает все электроны, подошедшие к нему и перебрасывает их в коллектор. Таким образом, концентрация электронов в базе у коллекторного перехода значительно меньше, чем у эмиттерного. В базе возникает градиент концентрации, под действием которого электроны диффундируют к коллекторному переходу (см.рисунок 1.5, б). Распределение концентрации электронов в базе показано на рисунке 1.6. Поскольку толщина базового слоя мала (w_б<<L_n), то закон распределения близок к линейному. Градиент концентрации электронов в базе определяет диффузионный ток электронов в направлении коллекторного перехода.

Описанный характер движения электронов в базе возможен только при условии электрической нейтральности базы, когда количество находящихся в объёме базы электронов равно количеству дырок.

Рисунок 1.6

В процессе диффузии через базу часть электронов рекомбинирует с дырками базы. В результате актов рекомбинации количество электронов, дошедших до коллектора не будет равно количеству электронов, поступивших из эмиттера, следовательно, электронная составляющая тока коллектора I_кn будет меньше электронной составляющей эмиттерного тока I_эn.

Акты рекомбинации электронов с дырками создают недостаток дырок, требующихся для компенсации электронов, входящих в базу из эмиттера. Необходимые дырки поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора I_брек. Таким образом, разность между электронными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой базовый ток рекомбинации:

Процесс рекомбинации дырок в базе численно определяется коэффициентом переноса носителей через базу, который показывает, какая часть носителей из эмиттерного перехода достигла коллекторного перехода.

Из выражения видно, что n<1 всегда. Максимальное значение n » 0,95 – 0,99. Чтобы увеличить коэффициент переноса (n приблизить к единице) и увеличить тем самым электронную составляющую коллекторного тока, необходимо уменьшить I_брек. Для этого при изготовлении транзисторной структуры необходимо обеспечить следующие условия:

1) базу необходимо выполнить настолько тонкой, чтобы её ширина была бы гораздо меньше диффузионной длины носителей в базе (w_б<<L_n), тогда большая часть носителей, в данном случае электронов, успеет дойти до коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с дырками базы;

2) базу следует легировать слабо, чтобы опять же уменьшить число актов рекомбинации электронов с дырками базы;

3) площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода (S_кп>>S_эп), чтобы уменьшить вероятность рекомбинации в краевых областях базы.

Таким образом, электроны, достигшие обратно смещённого коллекторного перехода, будут втянуты полем перехода и примут участие в образовании коллекторного тока.

1.5 Усиление с помощью транзистора

Рассмотрим схему усилительного каскада с транзистором n–p–n типа (см.рисунок 1.7). Приведенная схема называется схемой с общим эмиттером (ОЭ), т.к. эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы.

Рисунок 1.7.

Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника E1, которое является прямым напряжением для эмиттерного перехода. Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника E2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн.

C1– конденсатор большой емкости необходим для того, чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E1. C2– необходим для того, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E2.

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Напряжение источника E2делится между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода rк0для постоянного тока. В действительности к сопротивлению rк0еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n– и p–областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода rк0. Тогда напряжение источника E2будет перераспределяться между Rни rк0. При этом переменное напряжение на peзиcтopе нагрузки Rнможет быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в данной схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности.

1.6 Полевые транзисторы (ПТ).

Главным достоинством ПТ является высокое входное сопротивление, т.е. они практически не потребляют ток из входной цепи. Кроме того, они более технологичны и дешевле, чем биполярные, обладают хорошей воспроизводимостью требуемых параметров.

По способу создания канала различают ПТ с управляющим n-p-переходом, со встроенным каналом и с индуцированным каналом. Последние два типа относятся к разновидностям МДП-транзисторов с изолированным затвором.

носителей заряда только одного знака происходит по каналу от истока к стоку, а не через переход, как в биполярном транзисторе.

Управляющее напряжение между З и И является обратным для обоих n-p-переходов (Uзи<0). Оно создает вдоль канала равномерный слой, обедненный носителями заряда при Uси=0. Изменения Uзи, изменяют ширину n-p-переходов, тем самым регулируют сечение токопроводящего канала и его проводимость. Напряжение Uси>0 вызывает неравномерность обедненного зарядами слоя, наименьшее сечение канала вблизи стока.

Управляющее действие затвора иллюстрируют передаточной (стоко-затворной) характеристикой Iс(Uзи) при Uси=const. На практике чаще используют выходные (стоковые) характеристики Iс(Uси) при Uзи=const, по которым строят передаточные (рисунок 1.8, в)

МДП-транзисторы со встроенным каналом имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник. У поверхности кристалла полупроводника (подложки p-типа) созданы две области n-типа и тонкая перемычка между ними - канал (рисунок1.9 а). Области n-типа имеют выводы: И-исток и С-сток. Кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика SiO2, на которой расположен металлический затвор (З), электрически изолированный от цепи исток - сток. Подложка соединяется с истоком внутри прибора, либо имеет вывод во внешнюю цепь (П).

При отрицательном потенциале на затворе Uзи<0 поле затвора выталкивает электроны из канала в p-подложку, исток и сток. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается и ток стока уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Характеристики Iс(Uси) располагаются ниже кривой при Uзи=0 (см.рисунок 1.9 в). Если на затвор подано Uзи>0, то под действием поля затвора канал насыщается электронами из p-подложки, истока и стока - это режим обогащения.

Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, что наглядно показывают его характеристики. Структура, условное графическое изображение, передаточная Iс(Uзи) при Uси=const и стоковые Iс(Uси) при Uзи=const характеристики ПТ со встроенным каналом даны на рисунок1.9 а,б,в.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом не имеют специально созданного канала между истоком и стоком, и при Uзи=0 выходной ток Iс=0. Канал индуцируется при положительном потенциале на затворе Uзи>0 благодаря притоку электронов из p-подложки, истока и стока. Этот прибор работает только в режиме обогащения.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна S=DIс/DUзи при Uси=const и внутреннее (выходное) сопротивление Ri=DUcи/DIс при Uзи=const. Иногда пользуются третьим параметром - коэффициентом усиления m=DUси/DUзи при Iс=const; m=SRi.