Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
стабисторы предназначены для стабилизации постоянного напряжения. Варикапы представляют собой конденсаторы с электрически регулируемой емкостью. Фотодиоды применяют для измерения светового потока. Светодиоды излучают свет, поэтому их применяют для световой индикации. Выпрямительные диоды Выпрямительные диоды применяют для выпрямления переменного тока частотой до 20 кГц. Выпрямление основано на свойстве p-n перехода, хорошо пропускать ток водном направлении и почти не пропускать его в другом. Схема включения диода в однополупериодном выпрямителе показана на риса, а на рис. 1.6, б приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процессы в схеме. ВАХ выпрямительного диода имеет такой же вид, как и ВАХ p-n перехода (см. рис. 1.5). Цифры по осям на рис. 1.5 приведены для мощных диодов. При расчетах ВАХ аппроксимируются. На рис. 1.8 показаны реальная ВАХ выпрямительного диода и способы ее аппроксимации, применяемые в зависимости от решаемых задач. Идеальная ВАХ (см. рис. 1.8, б) применяется при расчете схем без учета потерь, а идеализированная (см. рис. 1.8, в) при учете потерь в проводящем состоянии. Полупроводниковые приборы характеризуются параметрами. Параметры это численные значения величин, определяющих характерные точки ВАХ и допустимые режимы. Параметры мощных выпрямительных диодов а) б) Рис. 1.7. Схема включения диода в однополупериодном выпрямителе (аи временные диаграммы, иллюстрирующие процессы (б) 16 повторяющееся импульсное обратное напряжение RRM U – максимальное обратное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду (см. риса в современных диодах оно достигает 5 кВ. RRM U в сотнях вольтопределяет класс выпрямительного диода. Например, если диод выдерживает 5000 В, то он 50 класса 2) максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток) FAVm I , определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления (см. рис. 1.7) при синусоидальном токе с частотой 50 Гц, угле проводимости 180 0 и заданной температуре кристалла или корпуса. Предельный ток определяет тип вентиля в современных выпрямительных диодах он достигает 5кА; импульсное прямое напряжение FM U – максимальное значение прямого напряжения, обусловленное предельным током (рис. 1.7, б оно составляет 1...2 В 4) пороговое напряжение U 0 и дифференциальное сопротивление r д (см. риса, в. Примечание. В индексах используются первые буквы английских слов первое обратный второе R (repetition) – повторение F (forth) – вперёд; M(maximum) – максимум (m для синусоиды AV (average) – среднее значение BR (breach) – пробой. Разновидность выпрямительных диодов так называемые диоды Шоттки». Особенностью таких диодов является то, что p-n перехода) б) в) Рис. 1.8. Вольтамперные характеристики выпрямительного диода реальная (а, идеальная б) и идеализированная (в) создается между металлом и полупроводником. Их параметры FAVm I до 100 А, FM U до 0,5 В, RRM U до 50 В. Выпрямительные диоды являются основой неуправляемых выпрямителей, а также применяются в других схемах преобразователей. Стабилитроны и стабисторы Стабилитроны служат для стабилизации постоянного напряжения. В них используется участок обратной ветви ВАХ p-n перехода (см. рис 1.5), на котором из-за лавинного пробоя мало меняется напряжение. Таким образом, в стабилитронах этот участок является рабочим. Поэтому на риса он приведен в первом квадранте. Это и есть ВАХ стабилитрона На рис. 1.9, б показана схема простейшего стабилизатора напряжения. Резистор б воспринимает на себя разность напряжения источника питания E и напряжения стабилизации стабилитрона. Напряжение на выходе стабилизатора U ст =E–Ir б . (1.1) Напряжение на выходе стабилизатора может быть найдено на основе совместного решения уравнения (1.1) и уравнения ВАХ стабилитрона ст. Из-за нелинейности ВАХ решение целесообразно выполнить графически (см. риса. Прямая линия по уравнению (1.1) может быть построена по двум точкам при I=0 ст при ст б Если напряжение источника питания E изменится, то прямая линия, построенная по уравнению, переместится параллельно самой себе, но напряжение на выходе стабилизатора изменится мало (см. риса. Описанный стабилизатор имеет недостаток – он не тер- Рис. 1.9. Вольтамперная характеристика стабилитрона (аи схема стабилизатора напряжения (б) 18 мостабилен, так как напряжение лавинного пробоя растет с ростом температуры. Для повышения температурной стабильности последовательно со стабилитроном включают диод в прямом направлении. Напряжение на нем падает при повышении температуры и поэтому компенсируется повышение напряжения на стабилитроне. Параметры стабилитрона напряжение стабилизации (5...300 В максимальный ток (2 А мА, причем большим напряжениям соответствуют меньшие токи дифференциальное сопротивление на участке стабилизации температурный коэффициент напряжения (ТКН) на участке стабилизации (изменение напряжения в % на градус Цельсия. ТКН обычных стабилитронов составляет порядка + 0,1 град, что неприемлемо при больших колебаниях температуры. Поэтому созданы термокомпенсированные стабилитроны, имеющие ТКН порядка 0,001 град. В них последовательно с p-n переходом, работающим в режиме лавинного пробоя, включены прямо смещенные p-n переходы. При напряжениях менее 5 В лавинный пробой не возникает. Для стабилизации напряжений менее 5 В применяют стабисторы. Они работают на участке прямой ветви ВАХ p-n перехода (см. рис. 1.5), где также напряжение мало зависит оттока. Стабистор состоит из одного или нескольких последовательно включенных p-n переходов. Контрольные вопросы Назначение различных видов диодов. Нарисуйте схему простейшего однополупериодного выпрямителя. Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном выпрямителе. Как выглядит ВАХ выпрямительного диода Как и зачем идеализируют ВАХ выпрямительного диода Назовите параметры мощных выпрямительных диодов. Укажите порядок величин параметров мощных выпрямительных диодов. Принцип действия стабилитрона. Нарисуйте схему простейшего стабилизатора напряжения. Укажите назначение элементов. Как и почему зависит напряжение стабилизации от температуры. В каких случаях и почему вместо стабилитронов используют стаби- сторы? 19 1.3. Транзисторы 1.3.1. Классификация транзисторов Транзистор – это электропреобразовательный прибор, содержащий два и более p-n переходов, имеющий три и более выводов и предназначенный для усиления мощности. Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током, униполярные (управляемые электрическим полем или полевые, транзисторы. Аббревиатура IGBT – это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей обоих знаков электронов и дырок, поэтому они называются биполярными. В полевых транзисторах ток определяется шириной проводящего канала, по которому движутся носители одного знака, отсюда их другое название – униполярные. транзисторы являются гибридными, в них сочетаются положительные свойства биполярных и полевых транзисторов. Биполярные транзисторы Биполярные транзисторы содержат три чередующихся слоя с различным типом проводимости. В зависимости от порядка их чередования биполярные транзисторы делятся на транзисторы типа n-p-n и типа p-n-p. Их условные обозначения приведены на риса б) Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора типа n-p-n (рис. 1.10). Средний слой структуры называется базой. Крайний слой, являющийся источником носителей заряда, называется эмиттером. Другой крайний слой, принимающий заряды, называется коллектором. Приложенными напряжениями переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база в обратном. К прямо смещенному переходу достаточно приложить небольшое напряжение, чтобы пошел большой ток. К обратно смещенному переходу может прикладываться значительное напряжение. Если разорвать цепь эмиттера, то под действием этого напряжения через коллектор будет протекать ма- Рис. 1.10. Условные обозначения транзисторов а) типа n-p-n; б) типа p-n-p 20 ленький ток обратно смещенного перехода К. При замыкании цепи эмиттера под действием приложенного прямого напряжения основные носители (электроны) инжектируются из эмиттера через эмиттерно-базовый переход П в базу, где они становятся неосновными. Далее носители диффундируют через базук коллекторно- базовому переходу Пи попадают в область действия электрического поля обратно смещенного перехода. Под действием этого поля носители дрейфуют к коллектору. На этом сложном пути часть носителей теряется – в базе они рекомбинируют сноси- телями противоположного знака, поэтому ток коллектора К меньше тока эмиттера Э . Разность этих токов – это ток базы Б . Усилительные свойства транзисторов характеризуют коэффициентом передачи тока α , который связывает приращения токов ЭК (1.2) Тогда ток коллектора 0 К Э К I I I + ⋅ = α (1.3) Из описания принципа действия следует, что коэффициент передачи тока меньше единицы. У современных транзисторов 99 , 0 9 , 0 K = α . Может создаться впечатление, что транзистор не усиливает. Но здесь было только показано, что транзистор не усиливает ток в данной схеме. Оказывается, что усилительные свойства зависят от схемы включения транзистора. В схеме рису эмиттерной (входной) и коллекторной (выходной) цепи имеется общая точка – база. Поэтому эта схема называется схемой с общей базой. Существуют также схемы с общим коллектором и с общим эмиттером рис. 1.11). Последняя схема имеет наилучшие усилительные свойства и поэтому чаще всего применяется. Коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером Б К I I ∆ ∆ = β (1.4) Рис. 1.11. Пояснение принципа действия транзистора типа n-p-n 21 а) б) в) Рис. 1.12. Схемы включения транзистора:а) с общей базой (ОБ б) с общим эмиттером (ОЭ);в) с общим коллектором (ОК) Этот коэффициент, как следует из формулы, составляет 10...100. Сопротивление нагрузки в выходной цепи может быть большим, так как в этой цепи действует большое напряжение, а во входной цепи напряжение мало. Поэтому схема с общим эмиттером обеспечивает также усиление напряжения и, следовательно, большой коэффициент усиления мощности. Основные недостатки схемы с общим эмиттером низкая термоста- бильность и небольшое входное сопротивление. Эти недостатки преодолеваются в схеме с общим коллектором, но она не усиливает напряжение и имеет меньший коэффициент усиления мощности. Коэффициенты передачи токов транзисторов α и β зависят от частоты. Из-за инерционности процессов, происходящих в транзисторе при движении зарядов, приращения выходного тока запаздывают по фазе по отношению к приращению входного. При этом уменьшается и амплитуда. Вводится понятия предельной частоты усиления в схеме с общей базой f α ив схеме с общим эмиттером f β , при которой коэффициенты и β уменьшаются враз) следовательно, частотные свойства схемы с общим эмиттером существенно хуже, чем схемы с общей базой При расчете схем на транзисторах используются их статические ВАХ. Основные ВАХ – выходная и входная. На рис. 1.13 приведено семейство выходных статических характеристик для схемы с общей базой ( ) const I К К Э U f I = = . Характеристика при э = 0 соответствует обратной ветви ВАХ p-n перехода. При увеличении тока э соответственно почти на такую же величину увеличивается ток к, так как коэффициент близок к 1. Поэтому кривые идут параллельно и почти горизонтально 22 На рис. 1.14 приведены семейства ВАХ для схемы с общим эмиттером выходная ( ) const I К К Б U f I = = и входная ( ) const I Б Б К U f I = = . Кроме них часто используют характеристику прямой передачи потоку ) сonst U Б К К I f I = = Основные параметры биполярных транзисторов МАХ К I – максимальный ток коллектора (достигает сотни ампер. МАХ К U – максимальное напряжение на коллекторе (до В. МАХ К I и МАХ К U не могут достигать одновременно максимальных значений. МАХ К P – максимальная мощность, которую можно рассеять накол- лекторе. β – коэффициент передачи (усиления) в схеме с общим эмиттером потоку (до сотен, у высоковольтных это единицы. К ток обратно смещенного коллекторного перехода (через запертый транзистор. Т – тепловое сопротивление. МАX К T P T r ∆ = Рис.1.13. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ Рис. 1.14. Выходные (аи входные (б)характеристики транзистора в схеме ОЭ а) б) 23 T ∆ – разность температур между окружающей средой и кристаллом. На риса нанесена разрешенная область работы транзистора, ограниченная допустимым напряжением, допустимым током и кривой допустимой мощности. 1.3.3. Линейный режим работы транзистора Усилительный каскад – это элементарный усилитель, выполненный на транзисторе, имеющий входи выход. Рассмотрим работу транзистора в простейшем усилительном каскаде (рис. 1.15). Рис. 1.15. Усилительный каскад Для пояснения на рис. 1.16 приведена диаграмма иллюстрирующая процессы. В первом квадранте представлены выходные характеристики. Распределение напряжения питания К между транзистором VT и сопротивлением нагрузки К можно найти графически из уравнения, записанного по второму закону Кирхгофа К К К К R I U E ⋅ + = , (1.6) где К – ток коллектора, К – напряжение на коллекторе. Это уравнение может быть решено графически. Для этого на рисунке построена линия нагрузки. Уравнение линии нагрузки К К К К R I E U ⋅ − = (1.7) Точки пересечения выходных характеристики линии нагрузки позволяют определить ток коллектора и напряжение на коллекторе при соответствующих токах базы. Рис. 1.16. Нагрузочная диаграмма. 1 – характеристика прямой передачи потоку транзистора 2 – характеристика прямой передачи потоку усилительного каскада 24 По точкам пересечения выходных характеристики линии нагрузки во втором квадранте построена характеристика прямой передачи потоку (ХППТ) усилительного каскада ( ) Б К I f I = приданных К и К . Состояние транзистора при отсутствии входного сигнала называется покоем. Рабочая точка покоя Р выбирается на середине отрезка MN, отсекаемого участками выходных характеристик, идущими почти горизонтально, или на середине линейного участка ХППТ усилительного каскада. Для выбора рабочей точки покоя на базу подается ток БР I через резистор. Конденсатор C на входе устраняет влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала на положение рабочей точки покоя. Диаграмма рис. 1.16 иллюстрирует, как ток, подаваемый на вход, усиливается в транзисторе. При изменении входного тока рабочая точка будет перемещаться по участку MN. При этом будет обеспечиваться изменение тока и напряжения на выходе пропорционально входному току. Из рисунка видно, что, если рабочую точку покоя выбрать не так, как указано, то одна из полуволн может срезаться. Мощность, выделяемая на коллекторе К К К I U P ⋅ = (1.8) Даже, когда отсутствует входной сигнал, в транзисторе выделяется мощность КР КР КР I U P ⋅ = (1.9) Поэтому линейный режим энергетически невыгоден. 1.3.4. Классы усиления В зависимости от выбора положения рабочей точки покоя различают классы усиления. В классе А рабочая точка покоя выбирается на середине участка линейного усиления, как это было описано выше (см. рис. 1.16). На рис. 1.17 эта точка обозначена буквой А. Преимущество класса А – высокая линейность усиления. Недостаток – , как указывалось выше, низкая энергетическая эффективность. Энергия потребляется от источника питания независимо от величины входного сигнала. В классе В рабочая точка покоя выбирается притоке базы близком к нулю (см. рис. При этом усиливается только одна полуволна. Для усиления второй полуволны необходимо включение второго транзистора. Преимущество класса В более высокая энергетическая эффективность. Потребление энергии от источника питания пропорционально величине входного сигнала и весьма мало при его отсутствии. Недостаток, вызванный нелинейностью входной характеристики транзистора искажение усиленной полувол- ны. Длительность полуволны меньше полупериода. Для уменьшения искажений переходят к классу АВ, в котором рабочая точка занимает промежуточное положение (рис. 1.17). Длительность полуволны становится равной полупериоду, но ухудшается энергетическая эффективность. В классе С рабочая точка покоя выбирается притоке базы б = коте. при обратно смещенном эмиттерно-базовом переходе (см. рис. При этом искажения увеличиваются, но несколько возрастает энергетическая эффективность. В классе D рабочая точка покоя выбирается притоке базы б = коте. при обратно смещенном эмиттерно-базовом переходе (см. рис, но входной сигнал настолько велик, что транзистор сразу переходит в состояние насыщения (точка N). Класс D по-другому называется ключевым режимом. Этот режим наиболее энергетически эффективен. |