uch_posobie_2014_ver_11

Допустим, что на четырехслойную полупроводниковую структуру подали небольшое напряжение так, что «плюс» приложен к аноду (представляющему собой p-слой), а «минус» – к катоду (к n-слою). Очевидно, что для обоих крайних электронно-дырочных переходов такое распределение потенциалов стимулирует их открывание, а вот средний переход останется закрытым. Чтобы через динистор или тиристор потек ток анод–катод, надо открыть все три перехода, однако это случается только при достижении внеш-

ним напряжением уровня, именуемого напряжением включения (Uвкл). Физические процессы, приводящие к открыванию среднего p–n-

перехода, заключаются в следующем: через открытый переход, примыкающий к аноду, в направлении среднего слоя диффундируют дырки, которые отталкивает приложенный к аноду «плюс». Дальше среднего слоя, примыкающего к аноду, дыркам не пройти, пока средний переход закрыт, поэтому идет их накопление. Процессы, происходящие вблизи катода, аналогичны «с точностью до наоборот» рассмотренным процессам вблизи анода – они приводят к накоплению электронов в среднем слое, примыкающем к катоду. В результате накопления заряженных частиц по обе стороны перехода образуется диффузионное электрическое поле, компенсирующее внешнее, и средний электронно-дырочный переход открывается. Теперь, когда все три перехода открыты, сопротивление тиристора или динистора становится малым, а ток через них – значительным. Тиристор, у которого имеется УЭ, можно открыть, не дожидаясь накопления зарядов вокруг среднего p–n-перехода. Для этого надо подать на внутренний слой короткий импульс такой полярности, чтобы переход открылся – «помочь» диффузионному электрическому полю. При закрывании тиристора или динистора необходимо снизить напряжение между анодом и катодом: «выключение» обоих элементов не сопровождается скачкообразными процессами, свойственными для их «включения». Вольт-амперные характеристики тиристора и динистора приведены на рис. 2.9. Два различных полупроводниковых

элемента имеют, таким образом, одинаковые ВАХ. Отличие заключается в том, что Uвкл у динистора не зависит от внешнего воздействия, а у тиристора может быть снижено подачей импульса требуемой полярности на управляю-

21

щий электрод. Уменьшение Uвкл тиристора при подаче импульса на УЭ называется «спрямлением» ВАХ, в действительности становящейся менее изогнутой на этапе открывания элемента.

Тиристоры и динисторы, как правило, используются для переключения довольно больших токов. В справочной литературе по электронике тиристоры и динисторы часто размещают в одних томах с диодами, стабилитронами и варикапами.

2.7.Фотоэлектронные элементы

Внастоящее время фотоэлектронные элементы изготавливают в основном из полупроводников, в приповерхностном слое которых под действием лучистой энергии возникает внутренний фотоэффект – изменяется удельное сопротивление полупроводника за счет высвобождения электронов в некоторых атомах. При этом электроны не выходят из объема полупроводника, но становятся подвижными. В определенных пределах существует практически линейная зависимость между световым потоком (Ф) и током (I) через полупроводник, таким образом простейший фотоэлектрический элемент – фоторезистор аналогичен термистору (см. 2.9), однако вместо зависимости сопротивления от тепловой энергии имеет место зависимость R от лучистой энергии. Условное обозначение фоторезистора представлено на рис. 2.10, а.

Рис. 2.10

Главной характеристикой фоторезистора является удельная интегральная чувствительность S = I / (ФU), где U – напряжение, приложенное к фоторезистору.

Фоторезисторы обладают двумя недостатками. Во-первых, даже при абсолютной темноте (при Ф = 0) через полупроводник течет ток, называемый темновым (Iт). В отличие от него ток, обусловленный лучистой энергией (I), называют фототоком. Во-вторых, фоторезистор инерционен, особенно при

22

выключении освещения или его ослаблении: процесс возвращения электронов в атомы, т. е. их рекомбинация требует времени.

Наряду с фоторезисторами в электронике применяют полупроводниковые фотодиоды (рис. 2.10, б). Внутри фотодиода, как и внутри обычного диода находится электронно-дырочный переход. В отсутствие лучистой энергии переход заперт, но, как было отмечено в 2.2, через запертый переход течет небольшой ток неосновных носителей. В отсутствие освещения он невелик, но при появлении лучистой энергии резко возрастает, и тогда можно считать фотодиод открытым. В отличие от фоторезисторов, используемых для плавной регулировки тока, фотодиоды применяют в схемах с дискретным изменением сопротивления («открыт-закрыт»).

В электронике применяют и многопереходные светочувствительные приборы – фототранзисторы и даже фототиристоры.

2.8. Светоиспускающие элементы

Светоиспускающие полупроводниковые диоды (светодиоды) в известном смысле являются «антиподами» фотодиодам: при протекании через них электрического тока (электронного и дырочного) происходит рекомбинация этих движущихся навстречу друг другу частиц, в результате чего оба носителя заряда теряют свою кинетическую энергию. Высвобождается энергия в первую очередь в форме квантов (т. е. светового или инфракрасного излучения). Кванты светового излучения называют фотонами, а кванты инфракрасного «теплового» излучения – фононами. Поскольку светодиоды чаще всего применяют как индикаторы, то полезным «выходом» светодиода является доля фотонов в общем количестве испущенных частиц. Условное обозначение светодиодов в электронных схемах приведено на рис. 2.11.

В светодиодах применяют различные полупроводниковые материалы – чаще других арсенид галлия (GaAs) и карбид кремния (SiC); от применяемого материала, а также от приложенного к светодиоду напряжения зависит цвет излучения светодиода.

Светодиоды объединяют вместе с фотодиодами в единые элементы, называемые оптронами или оптопарами. Применение оптронов позволяет ор-

23

ганизовать в электронных схемах гальваническую развязку между цепями – например, между цепью управляющего сигнала и управляемой (коммутируемой) цепью.

2.9. Терморезисторы

Терморезисторами называют элементы, сопротивление которых зависит от температуры. Существуют различные модификации этих элементов, однако большинство терморезисторов составляют термисторы – терморезисторы прямого подогрева, сопротивление которых зависит от значения протекающего через них электрического тока. Термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов. Конструктивно они представляют собой объемные тела с однородным составом. Условное обозначение терморезисторов приведено на рис 2.12, а.

Рис. 2.12

Зависимость сопротивления термистора от температуры – температурная характеристика (ТХ) приведена на рис. 2.12, б. Уменьшение сопротивления с увеличением температуры – общее свойство полупроводниковых материалов: подвод тепловой энергии к атомам полупроводника приводит к высвобождению электронов с наружных орбит. Свободные электроны под действием приложенного внешнего напряжения двигаются к положительному полюсу и образуют электрический ток. При малых токах нагрев термистора слабый, сопротивление – большое, поэтому напряжение на термисторе значительное. С возрастанием тока нагрев увеличивается, сопротивление понижается, поэтому снижается и напряжение.

Кроме термисторов к терморезисторам относятся болометры, реагирующие на энергию электромагнитных волн сверхвысоких частот; терморезисторы косвенного подогрева, имеющие форму втулок, надеваемых на источники теплового излучения; позисторы, изготавливаемые из особой группы

24

полупроводников – цирконатов и титанатов бария и свинца, у которых за счет доменной структуры материала при возрастании температуры увеличивается сопротивление.

2.10. Варисторы

Варистор – нелинейное полупроводниковое сопротивление (НПС), управляемое приложенным к этому элементу напряжением. Варисторы не имеют электронно-дырочных переходов и выполняются, как правило, из порошкообразного карбида кремния (SiC). Оба компонента относятся к четвертой группе Периодической таблицы, поэтому карбид кремния, несмотря на наличие двух составляющих, относится к чистым полупроводникам. Применяются и другие полупроводниковые материалы, в том числе разработанный в 70-е гг. прошлого века в ЛЭТИ материал «лэтин».

Условное обозначение варистора приведено на рис. 2.13. На рис. 2.14, а приведена ВАХ варистора, на рис. 2.14, б – зависимость сопротивления варистора от

приложенного напряжения. Характеристики инвари- Рис. 2.13 антны к полярности приложенного к варистору напряжения.

Рис. 2.14

Несмотря на кажущуюся простоту устройства варистора, его свойства обусловлены довольно сложными физическими процессами. Пористость карбида кремния приводит к тому, что в толще материала имеются острые зубцы, внутренние поверхности покрыты тонкой пленкой оксида, контакты отдельных кристаллов имеют небольшую площадь, а потому – большое сопротивление. При повышении напряжения, приложенного к варистору, на остриях возникает автоэлектронная эмиссия, происходят пробой оксидных

25

пленок и микронагрев контактных площадок кристаллов. Все три механизма обусловливают понижение сопротивления элемента.

2.11. Электронные лампы

Параграф содержит историческую справку о том, на какой элементной базе развивалась электроника до тех мор, пока не удалось создать совершенные полупроводниковые приборы. В 1904 г. Флеминг изготовил первый диод. По своей вольт-амперной характеристике этот элемент ничем не отличался от полупроводникового диода, описанного в 2.3. Однако по своему устройству диод Флеминга свершено не похож на свой более поздний аналог: он представлял собой полый сосуд, из которого был откачан воздух, а внутрь сосуда введены два электрода. Один из электродов – катод являлся источником электронов, вылетавших в вакуум благодаря термоэмиссии (катод подогревался так называемой нитью накала). Попав в вакуум, электроны либо устремлялись к другому электроду – аноду (если на нем был положительный потенциал относительно катода), либо скапливались вблизи катода в случае «отрицательного анода». Скопление электронов – пространственный заряд – препятствовало дальнейшей эмиссии и процесс стабилизировался.

Вакуумный диод (позднее стали говорить «электровакуумный») называли также термином «кенотрон». Так как по наличию вакуума этот элемент имел много общего с осветительными лампами накаливания, то его и родственные ему иные радиодетали получили групповое название «радиолампы». Главными недостатками радиоламп были: необходимость подогрева катода (на это уходила значительная энергия), высокие напряжения между электродами (сотни вольт – единицы киловольт), что делало настройку схем небезопасной, и, наконец, большие габариты ламп.

В 1907 г. Ли де Форест ввел между катодом и анодом третий электрод, который конструктивно был выполнен в форме сетки и поэтому получил именно это название (англ. – greed, нем. – gitter; именно по первой букве сло-

ва «сетка» в этих языках потенциал сетки стали обозначать как Ug). Сама лампа получила название «триод»: она являлась аналогом будущего транзистора, причем первые транзисторы в СССР называли полупроводниковыми триодами (ППТ). Изобретение Ли де Фореста произвело революцию в электронике – меняя напряжение Ug, можно было изменять ток между анодом и катодом (примерно так током через транзистор управляют напряжением на базе или на затворе). В дальнейшем в радиолампах появились вторая, третья

26

и даже пятая сетки), а общее количество электродов достигло семи. Соответственно, лампа с двумя сетками называлась тетродом, с тремя – пентодом. Самая сложная лампа – с пятью сетками носила название «гептод». Получили свою маркировку и сетки: первая сетка называлась управляющей, втораяэкранной, название третьей сетки было различным: защитная, противодинатронная и т. д. К сожалению, при переходе к полупроводниковым элементам схемы, основанные на многосеточных лампах, не получили своих полупроводниковых аналогов и остались в истории электроники.

Кроме вакуумных радиоламп были разработаны и газонаполненные, которые подразделялись на газоразрядные и безразрядные. В большинстве газоразрядных ламп использовался тлеющий разряд, что роднит их с газосветными трубками. Наибольшее распространение получил аналог полупроводникового тиристора – тиратрон. Собственно говоря, слово «тира», обозначающее «поджиг» перешло к тиристору от своего газоразрядного аналога, хотя в тиристоре никакого горения нет. Наряду с лампами тлеющего разряда существовали и лампы дугового, искрового и коронного разряда.

Следует отметить, что радиолампы и транзисторы сосуществовали несколько десятилетий. Изготовители радиоламп минимизировали их размеры, даже размещали лампы внутри так называемых микромодулей – первых микросхем, снижали напряжения на электродах, сумели обойтись без подогрева катода. Но полупроводниковые элементы все же оказались совершеннее. И все-таки замена радиоламп на транзисторы (особенно на биполярные) сопровождалась не только положительными эффектами: подавая отрицательное напряжение на сетку, можно было добиться нулевого тока через вакуумный триод, да и ток сетки становился нулевым. Через транзистор же при любом запирающем напряжении на базе течет ток неосновных носителей. Впрочем, этот недостаток свойственен только биполярным транзисторам, полевые обладают достоинствами и радиоламп, и полупроводников.

Лампы не исчезли полностью из электроники – на основе формирования пучков электронов в вакууме действуют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Вместо анода-собирателя электронов у трубок анод представляет собой кольцо с большим положительным потенциалом (значением до нескольких киловольт). Электроны под действием этого потенциала сильно разгоняются и в силу инерции пролетают мимо анода, попадают в экран и вызывают его свечение. В эксплуатации до сих пор находятся телевизоры и мониторы

27

компьютеров на основе ЭЛТ, а среди осциллографов приборы с указанным принципом формирования изображения пока превалируют.

Вместе с тем постепенно уходят в историю и транзисторы, выполненные в форме отдельных элементов, – на смену им пришли сначала микромодули, а затем интегральные микросхемы. Однако понимания принципа действия современных электронных схем ни основе ИМС невозможно добиться без знания физики процессов в простейших полупроводниковых элементах – диодах, транзисторах и т. д., поэтому в пособии схемам на их базе уделено определенное внимание.

3. ФИЛЬТРЫ

Фильтры – это электронные схемы, назначением которых является избирательность: коэффициент передачи КU фильтров зависит от частоты f (под коэффициентом передачи подразумевают отношение амплитуды выход-

Рис. 3.1

28

ного сигнала (Uвых) к амплитуде входного (Uвх)). Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) схемы. Основной характеристикой фильтра является гра-

ничная частота (fгр) – такая, при которой КU = 0,7 от своего максимального значения. По форме АЧХ фильтры подразделяют на четыре вида (рис. 3.1): а – фильтр низких (нижних) частот (ФНЧ); б – фильтр высоких (верхних) частот (ФВЧ); в – полосовой фильтр (ПФ); г – режекторный фильтр (РФ). Кроме того, существуют так называемые гребенчатые фильтры, которые имеют несколько полос пропускания, разделенных полосами, в пределах которых сигнал не проходит через схему. Сам АЧХ гребенчатого фильтра на при частотах близких к нулю может иметь полосу пропускания или полосу задержания.

Используют и другой классификационный признак, в соответствии с которым фильтры относят к электрическим (пассивным – состоящим только из элементов R, C, L, и активным – содержащим активные элементы, например, операционные усилители) и неэлектрическим.

В данной главе рассмотрены только пассивные и неэлектрические фильтры, так как для объяснения принципа действия активных фильтров требуется предварительное изучение операционных усилителей, с активными фильтрами можно познакомиться в гл. 5 настоящего пособия.

3.1. Пассивная дифференцирующая цепь

Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 3.2. Допустим, что в исходном состоянии сигнала на входе ДЦ нет, конденсатор C разряжен, а на выходных зажимах – режим холостого хода (нагрузки нет).

Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной по-

лярности (амплитудой U0 и дли-

тельностью τи), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на

нем падение напряжения UR. Внутреннее сопротивление источника сигнала примем равным 0. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам,

29

то падение напряжения UR является одновременно выходным сигналом ДЦ

(Uвыx). Напряжение UC возрастает по экспоненциальному закону, заряд завершается за 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U0, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению.

После окончания входного импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравнению с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки, и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя снизу.

Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 3.3). Возможны два варианта:

1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного импульса, т. е. 3τ < τи; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 3.3, а);

2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τи), поэтому разряд начинается не с −U0, а с уровня UCm, достигнутого при заряде; об-

ратный выброс имеет амплитуду −UCm меньшую, чем входной сигнал

(рис. 3.3, б).

Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифферен-

цирования: εд = (3τ /τи)100. Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Заменим C емкостным сопротивлением XC = 1/(2πfC), убывающим с ро-

30