Пассивные компоненты электронных устройств: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.

Основные свойства и характеристики полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Зонная энергетическая диаграмма. Уровень Ферми. Генерация и рекомбинация носителей. Время жизни и диффузионная длина. Диффузия и дрейф.

К полупр.относ-я твердые тела, котор. по своим св-м занимают промеж-е полож-е между проводн-ми и диэлектр-ми.Отлич.особ-ю полупр. явл-я сильная зависимость удельного сопр-я от внешн. факторов: темпера-ы, концентрации примесей, действ.света и ионизир-х излуч-й. Кол-во веществ, обладающих полупр-ми св-ми, превыш.кол-во металлов и диэлектриков. Для создан.соврем-хполупр-х приборов в кач-ве исходного мат-ла применяютсяэлементарн.полупр.: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te, арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфидгаллия GaP, карбид кремния SiC.Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определеннойэнергией или занимает определенный энергетический уровень. Структуры атомов различн.эл-в имеют оболочкиполностью заполненные электр. (внутренние) и незаполненные (внешние) оболочки. Электроны внешней оболочки атома называются в а л е н т н ы м и. Взаимн.Притяжен. атомов осуществл. за счет общей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращающ-ся по одной орбите вокруг этих атомов(рис. 2.1,а).

Валентн.эл-ны, как наиб.удал-е от ядра, имеют сним наиб. слабую связь, и поэтому под возд.эл-го поля, тепла, света и др. причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободн.Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атомаили молекулы называется и о н и з а ц и е й. Совокупн. уровней, на каждом из которых могут находитсяэл-ны, называют р а з р е ш е н н о й зоной (1,3 на рис. 2.1,б,в).

В энергетич. спектре тв-го тела можно выделить три зоны: заполненная (разрешенная) зона, запрещенная зона и зона проводимости. Р а з р е ш. зона хар-я тем, что все энергетич-еуровни валентных электронов при температуре 0°К заполнены эл-ми. Верхнюю заполненную зону называют валентной. Зона п р о в о д и м о с т ихар-я наличием электронов, облад-х энергией, которая позвол. им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего возд-я (например электрического поля). З а п р е щ е н н а я зона хар-ся тем, что в ее пределах нет энергетич-х уровней, на котор. могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.В полупроводниках при температ. отличной от нуля, часть электроновоблад. энергией, достат. для перехода в зону проводимости. Эл-ны в зоне проводимости стан-ся свободными, их концентрация в собственномполупроводнике обозначается ni.Уход электрона из валентн. зоны привод. к разрыву ковал-й связи и образованию в валентной зоне незаполненного (свободного) энергетич. уровня (положительного заряда), назыв-го д ы р к о й, концентрац.кот-х в собств. полупр. обозначается pi. У абсолютно чистого и однородного полупроводника (концентрацияпримесей настолько мала, что не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника) при температуре отличной от 0⁰ К образуются свободные электроны и дырки. Процесс образования пар электрон–дырок называется г е н е р а ц и е й.

После своего появления дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захватаэлектронов зоны проводимости дырками валентной зоны. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка исчезают. Процесс исчезновения пар электрон–дырка называется рекомбинацией. Этот процесс сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кристаллической решетки и частично излучается во внешнюю среду.Промежуток времени с момента генерации носителя до его исчезновения(рекомбинации) называется в р е м е н е м жизни носителя τ, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жизни д и ф ф у з и о н н о й длиной L.

Более строго диффузионная длина определяется как расстояние на котором концентрация носителей уменьшается в e раз (e≈2,7). Диффузионная длина ивремя жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями: Ln =корень(τn* Dn), L_р =Корень(τ_р*D_р), где Dnи Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно, τn и τp – время жизни электронов и дырок соответственно.Процесс занятия электронами того или иного энергетического уровня носит вероятностный характер и описывается функцией распределения Ферми–Дирака: F(W)=1/(e^((W-Wf)/kT)+1), где F(W)– функция распределения Ферми, W – энергия свободного электрона; W_f - нергетический уровень Ферми,функция Ферми для которого равна 0,5при температурах, отличных от абсолютного нуля; T – абсолютная температура; k=1,38⋅10Дж/град – постоянная Больцмана.В чистом (собственном) полупроводнике энергетический уровень Ферми W_fi можно определить из соотношения: W_fi=W_В+(∆Wз/2)= Wп-(∆Wз/2), где Wв и Wп – потолок валентной зоны и дно зоны проводимости соответственно.

В идеальн. кристалле ток создается равным кол-м электр. и «дырок». Такой тип проводимости назыв. собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.На проводимость полупр.больш.влиян. оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей вал-ю. При добавлен.донорной примеси в полупроводнике образ-я лишние эл-ны. Проводим.станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей вал-ю. При добавлен.такой примеси в полупр-е образ-я лишнее кол-во «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа.

Зонная диаграмма полупр. с донорн примесью: Рис. 2.2.

Мы говорили о силе, с которой эл-е поле действует па эл-ны. В рез-те действ.этой силы и столкновений с ионами решетки эл-ны и дырки двигаются с постоянной средней скор-ю, тем большей, чем больше приложенная сила. Такое движ-е заряженных частиц в эл-м поле называют дрейфом. Однако в полупр-х приборах движ-е носителей тока далеко не всегда является дрейфовым. К рассмотрению другого типа движения заряженных частиц, играющего во многих случаях решающую роль, мы сейчас и переходим. Это диффузия носителей заряда. Выше о диффузии уже упоминалось, когда речь шла о введении примесей в полупроводник. Если в полупр. в некотором месте образуется избыток носителей зарядов, т. е. концентрация их больше равновесной, то в рез-те теплового движения носители заряда постепенно распределяются по всему полупроводнику, так что концентрация их в среднем всюду оказ-я одинак. Это движение и называют диффузией.

 

 

Прямое смешение.

Схема прямого смещения представлена на рис.3. Из нее видно, что в ЭДП

действуют два электрических поля: контактное Е_k и прямое Е_пр. Эти поля имеют противоположные направления, вследствие чего результирующее поле и высота ПБ соответственно равны: .

Действие поля Е_? на носители заряда в переходе.

а) Действие на НОНЗ. Действие поля Е_? на НОНЗ при прямом смещении такое же, как и при обратном сме­щении: под действием этого поля дырки дрейфуют через переход от границы с n -областью, а электроны - от границы с р - областью (рис4,б). Поставщиком этих НЗ яв­ляются приграничные области толщиной L_n и L_p, в которых они образуются вследствие термогенерации и диффундируют к границам перехода под действием возникающего в них градиента концентрации.

Величина дрейфового тока при прямом смещении такая же, как и при об­ратном и равна току I_0.

б) Действие на ОНЗ. Наличие градиентов концентраций дырок и электро­нов, заложенных при изготовлении ЭДП и сниженный ПБ обуслов­ливают резкое возрастание диффузии ОНЗ: дырок из р - в n -область, а элек­тронов - из n – в р - область(рис. 4.а).

Рис.4.

Рост диффузии ОНЗ означает резкий рост диффузионного тока через пе­реход, который называется прямым и имеет дырочную и электронную состав­ляющие: .

Основным физическим процессом в прямосмещенном переходе является инжекция.под которой понимают впрыскивание через переход основных НЗ из одной области в другую, где они становятся неосновными.

Резкое возрастание обратного тока p–n перехода при достижении обратн. напр-ем определенного критич. знач-я назыв. пробоем р–n перехода.Различают два вида пробоя перехода:

– электрический; - тепловой. Вид ВАХ пробоя представлен на рис. 2.8.

При электрич. пробое кол-во носителей в переходе возраст.под действиемсильн. эл-го поля и ударной

ионизации атомов решетки. Различ. след-е разновидностиэл-го пробоя: лавинный, туннельныйЛавинный вид пробоя возникает услаболегированных полупроводниках, вотносит. широк р–n переходах.(кривая 1 на рис.) Тунельн. вид пробоя возник. в сильнолег-х полупр., в относит. узких п-н переходах.(кривая 2 на рис).Поверхностный вид проб.обусловлен изменен.эл-го поля на поверхности р–n перех за счет скопления значительного количества зарядов на поверхности полупр. Тепловой пробой возник.вследств. разогрева перехода проходящимчерез него током при недостат. теплоотводе (кривая 3 на рис.).

Биполярные транзисторы: понятие, графическое изображение, классификация. Физические процессы в транзисторах. Режимы работы, схемы включения транзисторов. Основные параметры и статические характеристики биполярных транзисторов.

Биполярным транзистором называют электропреобраз-й прибор, имеющий два p–n перехода, пригодный для усилен.мощности эл-х сигналов. По принципу действия транз. делятся на: биполярные и полевые. В работе биполярных транзисторов использ. носители обоих полярностей (дырки и эл-ны). Особенность биполярного транзистора сост. в том, что между его электронно–дырочными переходами существуетвзаимодействие – ток одногоиз переходов может управлять током другого.По порядку

чередования p–nпереходов транзисторыбывают: n–p–n и p–n–pтипов (рис. 3.1).

Область транзист., располож. между p–n переходами, наз-ют базой. Одна изпримыкающих к базе

областей должнанаиболее эффективноосуществлять инжекциюносителей в базу. Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным. Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы,называют коллектором, а переход коллекторным.По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые. По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. По мощн, рассеив коллекторн. переходом, транз. бывают: малой мощности;средней мощности;большой мощности.По частотному диапазону транзисторы делятся на: низкочастотные среднечастотные, высокочастотн, сверхвысокочастотн.

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА - увеличение концентрац. носит-й заряда в полупр-ке (диэлектрике) в рез-те переноса носителей током из областей с повыш. концентрацией (металлич. контактов)под действ.внеш. электрич. поля. И. н. з. приводит к нарушению термодинамич. равновесия электронной системы в полупроводнике. Если в полупр. в некотором месте образуется избыток носителей зарядов, т. е. концентрация их больше равновесной, то в рез-те теплового движения носители заряда постепенно распределяются по всему полупроводнику, так что концентрация их в среднем всюду оказ-я одинак. Это движение и называют диффузией. После своего появления дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захватаэлектронов зоны проводимости дырками валентной зоны. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка исчезают. Процесс исчезновения пар электрон–дырка называется рекомбинацией.

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора,различают след-е режимы работы: Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направл.(открыт), а коллекторный – в обратном направлении (закрыт).Режим отсечки-оба перехода смещены в обратном напр-и(закрыты). Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом напр-и(открыты). Инверсный режим-коллекторный переход смещен в прямом направлен., а эмиттерный – в обратном.

Схемы включения транзисторов:

Статические характеристики транзистора устанавливают функциональн. связь между токами инапр-ми транзистора. На практике наибольшее распр-е получ. стат-е хар-ки, в которых в кач-ве независимых переменных приняты входно ток и выходное напряжение, иони описываются следующей системой уравнений:Uвх=f(I вх, U вых),Iвых=f(I вх, U вых). Основными характеристиками этой системы уравнений являются: а) входнаяUвх=f(I вх) при U вых= const,б) выходная Iвых= f(Uвых) при Iвх = const.

Вспомогательные характеристики являются следствием входных и выходн:в) характеристика прямой передачи Iвых= f(Iвх) при Uвых= const; г) характеристика обратной связи Uвх= f(Uвых)при Iвх = const.

Параметры биполярных транзисторов: 1. Коэффициенты передачи базового и эмиттерного токовh_21э=

=∆ I_k/∆ I б, Uкэ=const, h_21б=∆ I_k/∆ I б, Uкб= const 2. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напp-иIкбо = Iк при Iэ=0 3. Максимально допустимый ток коллектораIк мах 4. Наибольшая мощность рассеиваемая коллекторным переходом Pк макс5. Предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера f_h21э– частота, на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера уменьшается в корень(2) раз по сравнению со своим низкочастотным значением.6. Граничная частотакоэф передачи тока эмиттера – это частота, на которой модуль(h_21э)→1.7 Максимальная частота генерации fмакс – наибольшая частота, на которой транзистор может работать в схеме автогенератора и коэффициент усилен.по мощности становится равным единице.8. Дифференциальное сопротивление эмиттерного переходаr_{э диф}=∆Uэб/∆Iб, Uкэ= const9. Объемное сопротивление области базы r'б10. Дифференциальное сопр-е коллекторного перехода или выходн. проводимостьrк диф=I/h_22э=∆Uкэ/∆IкIб= const11. Емкость коллекторного перехода.12. Коэффициент обратной связи по напряжению h 12б.

 

 

Полевые транзисторы. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом. Схемы включения полевых транзисторов. Основные параметры и характеристики полевых транзисторов.

Полевым транзистором наз-ттрехэлектродный полупроводниковыйприбор, в котором электрический токсозд-я основными носителями зарядапод действием продольного электр. поля, а модуляция тока осуществл. поперечным электрич. полем создаваемым напряжением на управляющ. электроде. Полевые транз. бывают двух видов: с управляющим п-н переходом и с изолированным затвором. Область полупроводника, по котор. проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, от которого начинают движениеосновные носители заряда в канале, называют истоком. Электрод, явл-я

приемником движущихся основн. носителей, называют стоком. Электрод,используемый для управления величиной поперечного сечения канала, назыв-я затвором. Структура полевого транзистора с управляющим p–n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 4.1,а.

Полевой транзистор с управляющим р–n переходом представляет собойтранзистор, затвор которого отделен от канала p–n переходом. Полевой транз. сост. из пластины полупроводникового мат-ла, которая может служить каналом, а с торцов пластины изготовлены два омических контакта, назыв-х истоком и стоком. Канал может иметь электропроводность как n-,так и p-типа. В связи с этим полевые транзисторы с управляющим p–n переходом бывают с n- и p-каналами (рис. 4.1,г,д).

Упрощ-я структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 4.5.

Основой транзистора являетсяподложка, в качестве которой исп-я кремниевая пластинка спроводим-ю n- или р-типа сотносительно высокимудельнымсопротивлением.На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильнолегированныеобласти, не имеющие между собой эл-го соед-я. К этим областям изготавливаютсявнешние омические контакты, которые служат истоком и стоком.Структура транзистора обратима –сток и исток можно менять местами.Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем диэлектрика (двуокисикремния) толщиной 0,05…1 мкм. На слой диэлектрика между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора. Если между стоком и истоком прикладывается внешнее напряжение Uси, то в цепи стока протекает малый обратный ток p–n перехода между подложкой и областьюстока. Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями при увеличении абсолютного значения напряжения на затворе, называется режимом обогащения, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащенного типа.

В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора в усилительной схеме является общим для входной и выходной цепей, используются схемы: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС).Наиболее распространенной является схема с ОИ, аналогичная схеме включения биполярного транзистора с ОЭ. Схема с общим стоком (истоковый повторитель) аналогична эмиттерному повторителю.На практике питание схем осуществляется от одногообщего источника напр-я. При подаче питания на полевые транзисторы с управляющим p–n переходом, для которых стоковое напряжение и напряжение на затворедолжны быть разного знака, необходимое напряжение на затворе может быть создано с пом-ю цепочки автоматического смещения RиCи, включенной вцепь истока (рис. 4.14).Полевые транзисторы с индуцированным каналом, у которых стоковое напряжение и напряжение на затворе имеют одинаковую полярность, смещение назатвор подается обычно с помощью делителя напряжений R1 и Rз (рис. 4.15).

Основные параметры полевых транзисторов: 1. Входное сопротивлениеRзи = dUзи/ dIз. 2. Внутреннее сопротивление R i = dU си/ dIс 3. Крутизна характеристики S = dI c / dU зи 4. Коэффициент усиления по напряжению µ = dU си/ dU зи, Iс=const5. Крутизна характеристики по подложкеSп= dIс/ dUпи, Uси= const, Uзи= const6. Напряжение отсечки Uзи отс – напряжение перекрытие канала 7. Пороговое напряжение Uзи пор.8. Начальный ток стока Iс нас – ток стока при нулевом напр-и Uзи и при Uси равном или превышающем напряжение насыщ-я. 9. Напряжение насыщения Uси нас – напряжстокепри котором происх. перекрытие канала. 10. Обратные токи истокового Iио и стокового Iсо переходов.

11. Максимальная частота усиления, fмакс – частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Статические характеристики. Наличие большого вх. и вых. сопр-й в полевомтранзисторе позволяет исследовать статические хар-ки с помощью генераторов напр-я. Полевой транзистор с управляющим p–n переходомописывается тремя статич-ми хар-ми:

1. Выходные (стоковые) характеристики I_с= f(U_си) при Uзи=const.2. Сток-затворные характеристики (характеристики передачи) I_с= f(U_зи)при Uси=const. 3. Входные (затворные) характеристики I_з= f(U_зи)

при Uси=const.

 

Операционные усилители (ОУ), параметры, характеристики ОУ. Инвертирующий усилитель на ОУ. Неинвертирующий усилитель. Повторитель на ОУ. Сумматоры напряжений на ОУ. Дифференциальные усилители на базе ОУ. Дифференциатор на ОУ. Интегратор на ОУ. Нелинейные преобразователи электрических сигналов. Логарифмический усилитель. Антилогарифмический усилитель. Перемножители на ОУ.

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилителипостоянного тока с диф-м вх. каскадом, большим усилен.и несимметричным вых, предназнач-е для выполнения различныхопераций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательнойОС. Первоначально эти усилители предназначались для выполнения математич-х операций (сложение, вычитание, умножение, деление, диф-е и т.д.) над непрерывными эл-ми сигналами в аналоговых выч-х машинах.

Операционные усилители имеют как минимум 5 выводов. Схемное обозначение операционного усилителя показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1 – Обозначение ОУ

Параметры. 1.Коэффициент усиления К равен отнош-ю вых. напр-я квызвавшему это приращение диф. вх. сигналу при отсутств. обратной связи (составляет 10^3…10^7) и определяется при холостом ходе на выходе. К=Uвых/Uвх.д. 2.Напр-е смещ-я нуля Uсм показывает, какое напр-е необход. подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить Uвых=0. 3. Входной ток Iвх определяется нормальным режимом работы входногодифференциального каскада на биполярных транзисторах. 4.. Разность входных токов ∆Iвх равна разности значений токов, протек-х через входы ОУ, при заданном знач-и вых. напр-я.5. Входное сопротивление R_вхравно отношению приращения входн. напряжения к приращ. входн. тока на заданной частоте сигнала.6. Коэф-т ослабления синфазного сигнала Косл сф определяется какотнош-е напр-я синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к диф-му входному напр-ю, вызывающему тоже значение выходного напряжения. К_осс=К_диф/К_сф.. 7. Вых-е сопрот-е Rвых определяется отношением приращениявых-го напр-я к приращению активной составляющей выходного токапри заданном значении частоты сигнала. 8. Температ. дрейф напр-я смещения равен отношению мах изменения напр-я смещ-я к вызвавшему его изменениютемпературыαсм=∆ Uсм/∆T. 9. Коэф. влияния нестабильности источника питания на вых. напр-е показывает изменение вых-го напр-я при изменении напряжений питаний на 1 В.

10. Мах выходное напряжение Uвых макс определяется предельн. значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагр. и напряжении входного сигнала.11. Максимальный выходной ток Iвых макс ограничивается допуст. коллекторным током выходного каскада ОУ. 12. Потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.13. Частота единичного усиления f1 – это частота входного сигнала, прикоторой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f1)|=l.14. Частота среза fc ОУ – частота, на которой коэффициент усиления сниж-я в корень(2) раз. 15. Максимальная скорость нарастания вых. напр-я Vмакс опред-я наибольшей скор-ю изменения вых. напр-я ОУ придействии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной мах знач-ю вх. напр-я и лежит в пределах0,1…100 В/мкс.

16. Время установления вых. напряженияt_уст-это время необходимое для возвращения усилителя из

состояния насыщения по выходу в линейный режим.17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала деленным на коэф. усиления ОУ.

характеристики ОУ Основными усилит-ми хар-ми ОУ являются амплитудные (передаточные) хар-ки (рис. 1.3). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Рис. 1.3 – Амплитудные характеристики ОУ

Входные характеристики. Входными параметрами ОУ являются входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение. Выходные характеристики. Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. Частотные характеристики. Основной частотной хар-й ОУ является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), (рис. 1.4). АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. По граничной частоте f_гр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в Ö2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя.

Рис. 1.5 – Реакция ОУ на скачок входного напряжения

Скоростные характеристики. Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.5).

Инвертирующий усилитель на ОУ. При инвертирующем включении входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход соединяется с общей шиной (рис. 1.7).

 

Рис. 1.7 – Инвертирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению определяется по формуле:

Входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя в первом приближении определяются равенствами R_вх»R₁; R_вых» 0.

Неинвертирующий усилитель. При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.8).

 

Рис. 1.8 – Неинвертирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение неинвертирующего усилителя совпадает по фазе с входным. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению определяется по формуле:

Если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, то коэффициент усиления входного сигнала по напряжению К = 1. Такие схемы называют повторителями напряжения. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно.

Повторитель на ОУ

Иногда при построении различных эл-х схем требуются усилительные каскады, имеющие (по модулю) ед-е коэф. усиления (повторители).Наиболее часто за основу их проектирования используют схему неинвертирующего усилителя без входного резистивного делителя, что обеспечивает очень большое входное сопротивление. Повторитель, согласно (11) при (К_дел = 1) можно реализовать 3-мя способами (рисунок 5): R_ОС = 0 (непосредственное соединение выхода с инвертирующим входом); R₁ = Ґ (разрыв цепи, в которую включен R1) и, наконец, R_ОС = 0 и одновременно R₁ = Ґ.Наиболее просто реал-я схема повторителя в третьем случае (рисунок 5,в), однако и другие варианты неинвертирующих повторителей также находят применение на практике. Величина оставшегося резистора в схемах на рисунках 5,а, б совершенно не влияет на единичный коэффициент усиления повторителя.

Рисунок 5. Неинвертирующие повторителинапряжения на основе ОУ

Повторительнапряжения можно спроектировать и на основе инвертирующего усилителя, если в нем (рисунок 2) выбрать резисторы с одинаковым сопротивлением R₁ = R_ОС.

Сумматоры напряжений на ОУ

Суммирующий усилитель (аналоговый сумматор)

На рис. 6.17 приведена рабочая схема суммирующего усилителя на основе ОУ. Эта схема позволяет осуществить суммирование нескольких напряжений с минимальной погрешностью. Каждое из суммируемых напряжений подается на отдельный вход. Напряжение на выходе схемы равно сумме нескольких входных напряжений, умноженных на соответствующие коэффициенты усиления.

Рис. 6.17. Суммирующий усилитель

Такая сх. анализир. при помощи принципа суперпоз. основополаг-й принцип, котор. сост. в том, что если есть неск. факторов, не влияющ. на др. и рез-т действия всех факторов складывается. Если взять в схеме, что R₁=R₂=…=R_n,то получим чистый сумматор. U_вых=-(U₁+U₂+…+U_n)

Интегратор на ОУ.

Широкое применение в аналоговой электронике находят интегрирующие устройства, кроме своего прямого назначения они используются в качестве элементов фильтрации сигналов. Схема простейшего инвертирующего интегратора на ОУ приведена на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1 – Схема инвертирующего интегратора на ОУ

Для идеального ОУ для входного тока ί_R и тока через конденсатор ί_C справедливо следующее равенство:

ί_C = – C(dU_вых/dt) = U₁/R = ί_R.Решая это выражение относительно dU_вых , получим:dU_вых = − (1/RC)U₁dt.

Интегрируя последнее уравнение, найдем выходное напряжение:U_вых= .

Постоянный член U_вых(0) определяет начальное условие интегрирования. Пределами интегрирования в этой формуле являются моменты времени t₁ и t₂. В действительности ОУ имеет некоторое напряжение сдвига и нуждается в токе смещения. В интеграторе напряжения сдвига интегрируется как ступенчатая функция, что дает дополнительный линейно нарастающий (или спадающий) выходной сигнал, причем полярность этого сигнала определяется полярностью U_сдв, а наклон – величиной U_сдв. Ток смещ-я течет через конденсатор обратной связи C, что также приводит к появлению наклонного выходного сигнала. В рез-те действия этих двух эффектов конденсатор Cчерез некоторое время зарядится до максимально возможного выходного напряжения усилителя. Такое накопление заряда накладывает ограничение на интервал времени, в течение которого может быть осуществлено интегрирование с достаточной точностью. Кроме того, напряжение U_сдв добавляется к напряжению на конденсаторе C, и т.к. это напряжение равно U_вых, такая прибавка вносит в результат ошибку, равную U_сдв. В результате выражение для U_вых примет вид:U_вых = − (1/RC)∙∫ U₁dt + 1/RC)∙∫ U_сдвdt+(1/С)∙∫ I_смdt + U_сдв.

Логарифмический усилитель.

Логарифмические и антилогарифмические усилители используются вбыстродействующих устройствах возведения в степень, перемножения и деления сигналов, сжатия сигналов. Логарифмический усилитель обеспечивает получение на выходе сигналас переменной составляющей пропорциональной во времени логарифму переменной составляющей сигнала на его входе, и его схема представлена нарис. 11.16.

Ток, протекающий через диодв цепи обратной связи, описываетсявыражениемI_{д .} 11.27Падение напряжение на диодеравно и противоположно по фазевыходному напряжению и определяется из (11.27). Uд= (kT/ q)* ln I_д/ I₀. Учитывая, что для построения усилителя используется идеальный ОУ, тоI = Iд= Uвх/R, Uвых=(- kT/ q)* lnUвх / RI₀. 11.30Используя уравнение (11.30), строится теоретическая передаточная хар-ка, представленная на рис. 11.17 штриховой линией, а сплошной линией изображена передаточная характер.

Участок передаточной характеристики, где теоретическая и экспериментальная

характеристики совпадают, называютд и н а м и ч е с к и м д и а п а з о н о мл о г а р и ф ми р о в а н и я: Д=Uвх2/Uвх1.Логарифмический усилитель, схема которогоизображена на рис. 11.16, имеет на выходе

напряжение отрицательной полярности приподаче на вход положительного сигнала.

Перемножители на ОУ.

Наибольшее распространение получили перемножители построенные на дифференциальных транзисторных парах с перекрестными коллекторными связями.

Рис. 1 Управляемый напряжением дифференциальный делитель тока В основе этого метода лежит основное соотношение для транзисторной структуры: , где .

Дифференциальная транзисторная пара представлена на Рис. 1. Для коллекторных токов выполняется следующее соотношение:

, где

тогда выражение для токов коллектора можно записать в виде: и

При этом выходное напряжение U_Zопределяется следующим образом:

Разложим гиперболический тангенс th(x) в степенной ряд и возьмем 0 и 1 члены этого ряда:

тогда получим:

в случае если U_X<<j_T получаем: Таким образом, выходное напряжение U_Z пропорционально произведению входного напряжения U_Xи тока I_Y. Если сделать ток I_Y пропорциональный напряжению U_Y, то мы имеем перемножитель двух сигналов. Т.е. для построения перемножителя необходимо иметь высокоточный преобразователь напряжение - ток.

 

 

 

 

 

Понятие о цифровой электронике. Основные положения булевой алгебры. Логические элементы НЕ, И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Основные характеристики логических элементов и параметры, определяемые по ним. Динамические параметры логических элементов. Статические параметры логических элементов.

В электронике информация передается в виде изменяющихся электрических сигналов. Различают два вида сигналов — аналоговые и дискретные (цифровые).Цифровые сигналы могут принимать только два значения — минимальное (близкое к нулю) или максимальное значение напряжения или силы тока. При обработке цифровых сигналов требуется различать всего две их величины (два состояния), поэтому сами сигналы удобно описать математически: есть напряжение (ток) —1, нет — 0. Для анализа последовательности цифровых сигналов применяют двоичные коды – числа в двоичной системе счисления.В цифровой электронике используется двоичная система счисления, а для выдачи информации в цифровых электронно-вычислительных машинах (цифровых ЭВМ), в числе прочих,— шестнадцатеричная.Как уже говорилось, для записи чисел в двоичной системе используются два символа: цифры 0 и 1. Следовательно, в каждом разряде двоичного числа могут быть записаны либо 1, либо 0. В двоичном числе вес каждого последующего (по старшинству) разряда увеличивается относительно предыдущего в два раза. Так, в двоичном числе 1011011 единица в нулевом разряде эквивалентна десятичному числу «один».Применительно к электронно- вычислительной технике каждый разряд двоичного числа является минимальной единицей информации и называется «бит».заметим, что 8-разрядное (8- битное) число в ЭВТ называют байтом, а совокупность некоторого числа байтов (обычно 1 — 8) составляет машинное слово.