- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
4.10. Полевые транзисторы
Полевые транзисторы – это управляемые элементы, особенностью которых является практически нулевая мощность управления в статическом состоянии. Это означает, что в отличие от биполярных транзисторов ток управления полевых транзисторов мал, и можно считать, что они управляются напряжением (электрическим полем). Отсюда название «полевые». Технология полевых транзисторов обеспечивает значительно бóльшую плотность элементов в 1 мм3, что позволяет создавать микросхемы огромной функциональной сложности (однокристалльные ЭВМ).
На полевых транзисторах выполняются цифровые устройства, не потребляющие энергии в статическом состоянии, т. е. с малым потреблением.
На полевых транзисторах, в силу их особенностей, удобно строить ключи переменного тока, в т. ч. и прецизионные аналоговые коммутаторы.
Мощные полевые транзисторы обладают значительно меньшим сопротивлением в открытом состоянии при работе в ключевом режиме, что обеспечивает более высокие значения КПД преобразователей энергии.
Кроме того, в полевых транзисторах отсутствует эффект диффузионной емкости и связанные с ним ограничения быстродействия, обусловленные эффектом насыщения.
К сожалению, крутизна управления у полевых транзисторов существенно меньше, чем у биполярных (особенно у маломощных приборов), т. е для переключения полевого транзистора требуются большие перепады управляющего напряжения. Это обстоятельство делает быстродействие цифровых ключей на полевых транзисторах существенно меньшим по сравнению с ключами на биполярных транзисторах.
Все это приводит специалистов к необходимости творческих решений проблемы приоритетов между полевыми и биполярными транзисторами в каждом конкретном случае.
По физике работы различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходоми полевые транзисторы сизолированным затвором.
Наибольшее практическое применение, в силу удобства управления и высокой технологичности, нашли полевые транзисторы с изолированным затвором.
4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
Упрощенная конструкция этого транзистора с проводящим каналом n-типа изображена на рис. 4.22. Источник регулируемой энергииЕсиподключен к проводящему каналу между стоком (С) и истоком (И), образованнымn-слоемp-n-перехода. Управляющее напряжениеЕзиприкладывается между затвором (З) и истоком запирающей дляp-n-перехода полярностью. Сопротивление проводящего канала сток-исток зависит от его длины, удельного сопротивления слояnи площади поперечного сечения, определяемой шириной каналаd.
При увеличении (относительно исходного нулевого) значения запирающего напряжения Езиширина обедненной областиp-n-перехода (заштриховано) увеличивается, а ширина проводящегоn-канала уменьшается. В результате имеем функциональную зависимость
Рис. 4.22. Схематическое
изображение
полевого транзистора с
управляющим
p-n-переходом:
а– каналомn-типа;б– условное графическое изображение
Ic=F(Ези, Еси), (4.13)
подтверждающую управляемость тока стока.
В силу того, что управляющий p-n-переход находится в запертом состоянии, ток затвора, равный обратному току p-n-перехода, очень мал по величине и не является током управления, поскольку практически не зависит от напряжения Ези.
Так как проводимость канала определяется носителями одного типа (основными), то полевые транзисторы иногда называют униполярнымиприборами, а по наличию сквозного проводящего канала –канальными.
Опуская математические зависимости (4.13), с которыми можно ознакомиться в специальной литературе, рассмотрим их графические изображения. На рис. 4.23 приведены ВАХ полевого транзистора: а) сквозные (проходные) и б) выходные.
а б
Рис. 4 23. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а – сквозные (проходные); б – выходные
Проходная ВАХ характеризуется значениями Iс0(ток стока при нулевом напряжении управления),U0(напряжение отсечки тока, при котором обедненная областьp-n-перехода полностью перекрывает проводящий канал). На выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две области: крутая область (слева от пунктира) и пологая область, или область насыщения.
Если рассмотреть напряжение, действующее на управляющем p-n-переходе, то вблизи истока оно равно Uзи, а вблизи стока – (Uзи + Uси).При малых напряженияхUси(меньшеТ) зависимостьIс =f(Uси) почти линейная, и линейность сохраняется, если полярность напряженияUси сменить на обратную. В этой области зависимостьIс от напряжений, приложенных к полевому транзистору, описывается следующим соотношением (4.13):
, (4.14)
где В – удельная крутизна [].
При увеличении напряжения Uси зависимость Iс= f (Uси) становится нелинейной. При (Uзи + Uси) Uзи отс канал вблизи стока перекрывается и ток стока практически перестает зависеть от напряжения сток-исток (Uси).
При работе в пологой области характеристик ток стока при заданном напряжении Uзи описывается соотношением
, (4.15)
где Iс нач – ток стока при Uзи= 0 и Uси = Uзи отс.
Полевой транзистор в линейной области ведет себя как линейное сопротивление, величиной которого можно управлять, изменяя напряжение Uзи. Это свойство используется при построении линейных регуляторов сигнала (рис. 4.24). Недостаток таких аттенюаторов – малая амплитуда выходного напряжения (<Т). Для расширения диапазона выходных напряжений ½Uси передается в цепь управления. Тогда
,
Рис.
4.24. Линейный аттенюатор
на полевом
транзисторе
В усилительных устройствах полевой транзистор работает на пологом участке характеристики.
Линеаризованное уравнение может быть получено для заданного режима покоя IcA,UзиА, UсиАиз (4.13):
, (4.16)
где – крутизна;– внутреннее (выходное) сопротивление.
Рис.
4.25. Линейный аттенюатор
с расширенным
диапазоном Uвых
.
Линеаризованная электрическая модель на основании (4.16) изображена на рис. 4.26. Максимальные усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются внутренним коэффициентом усиления , который связан с крутизной и внутренним сопротивлением уравнением
= S ri.
Рис. 4.26. Линеаризованная электрическая модель полевого транзистора
Инерционность ПТ определяется конечным временем переноса носителей в области канала и наличием межэлектродных паразитных емкостей: входной – Сзи, выходной –Сси, проходной –Сзс. Первая часть описывается операторным представлением крутизны
,
где ;Rк – сопротивление канала; CЗ – распределенная емкость затвора относительно канала. Частота fS, на которой крутизна уменьшается в раза, равна 1/2и для маломощных транзисторов составляет сотни мегагерц. В диапазоне частот входных сигналов до нескольких десятков МГц основное влияние оказывают паразитные емкости, обозначенные пунктиром на рис. 4.26. Промышленностью выпускаются полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом и каналомр-типа (рис. 4.27). Они обладают такими же свойствами, как и с каналомn-типа, только полярности подключаемых напряженийUзи, Uсипротивоположные.
К
–