.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Принципы действия усилителей

Большинство усилителей содержат биполярные или полевые транзисторы, на которые подается входное напряжение . Транзистор включен в цепь, содержащую сопротивление нагрузки  и источник питания   (рис. 15.4). Для этой цепи второй закон Кирхгофа запишем в виде:

 . (15.3)

 


 Рис. 15.4 Рис. 15.5 

Под действием входного напряжения меняется ток , протекающий через транзистор (ток коллектора в случае биполярного транзистора или ток стока в случае полевого транзистора). При изменении тока  через транзистор меняется падение напряжения на сопротивлении нагрузки

и напряжение на транзисторе . Одновременное изменение  и  можно рассматривать как изменение под действием входного сигнала ивх сопротивления транзистора . Транзистор как бы является управляемым сопротивлением. (Именно так переводится его название.) Поскольку под действием малого входного сигнала ток через транзистор меняется сильно, и это приводит к большим изменениям напряжения на нагрузке, то амплитуда переменной составляющей напряжения на нагрузке  может быть много больше амплитуды входного сигнала. Так происходит усиление сигнала по напряжению(рис. 15.5). Для усиления сигнала нужен источник энергии в данном случае источник питания источник постоянной ЭДС Еп и управляемый элемент транзистор, обеспечивающий преобразование энергии постоянного тока от источника питания в энергию переменного тока усиленного сигнала в нагрузке.

Простейшая схема питания транзистора не обеспечивает устойчивости точки покоя и постоянства параметров прибора при изменениях температуры. С повышением температуры нарушаются ковалентные связи атомов в кристалле и, следовательно, возрастает число свободных носителей зарядов, т. е. увеличиваются тока через рп переходы. Температурные перемещения характеристик в координатной плоскости это существенный недостаток транзисторов вообще, а схем с ОЭ в особенности. Поэтому схема на рис. 15.6а может быть принята только для приборов, работающих в условиях постоянства температуры 

(например, в комнатных приемниках).


 Рис. 15.6

Борьба за температурную стабильность задача технологии полупроводниковых приборов. Однако содействовать повышению стабильности можно и при разработке аппаратуры путем выбора схемы, которая обеспечивает постоянство исходного режима. Разумеется, схемная стабилизация не устраняет температурных влияний на параметры транзистора.

Простейший способ стабилизации исходного режима в каскаде с ОЭ показан на рис.15.6б. Этот способ называется коллекторной стабилизацией. По сравнению с прежней схемой здесь произведен перенос резистора  от источника питания к коллектору (конечно, с выбором заново сопротивления этого резистора). Физический смысл коллекторной стабилизации заключается в следующем: если при повышении температуры возрастает ток в цепи коллектора, то увеличится падение постоянного напряжения на резисторе , а напряжение  уменьшится. Это вызовет уменьшение отрицательного напряжения на базе по отношению к эмиттеру, т. е. снижение постоянного тока базы , что, в свою очередь, приведет к снижению тока коллектора, т. е. ограничит результат нагревания. Такая взаимосвязь называется противосвязью по постоянному току. Однако резистор  между коллектором и базой увеличивает ОС и по переменному току, уже имеющуюся внутри прибора через проводимость ; эта связь, как мы видели, повышает входную проводимость, т. е. ослабляет действие сигнала.

Часто в усилительных и генераторных каскадах применяется иная схема питания и стабилизации, показанная на рис. 9.9,6. Ее называют условно схемой эмиттерной стабилизации. В ней для питания базы к зажимам источника . подключен делитель напряжения , постоянный ток через который должен быть приблизительно в 5 раз больше исходного тока базы, выбранного для транзистора. Тогда смещение в цепи базы окажется приблизительно равным падению напряжения на резисторе  и будет достаточно стабильным. Однако при изменении температуры могут изменяться и токи в цепях эмиттера и коллектора, что нежелательно. Для их стабилизации в цепь эмиттера включают резистор ; на этом сопротивлении создается дополнительное смещение между базой н эмиттером, действующее противоположно напряжению, выделенному на сопротивлении , что видно из направлений токов. И если ток эмиттера возрастет, то падение напряжения на сопротивлении  увеличится, а отрицательное смещение на базе уменьшится, что приведет к снижению токов эмиттера и коллектора. Для устранения ОС по переменному току стабилизирующий резистор  блокируется конденсатором Сэ большой емкости (не менее десятка микрофарад).

Следует учесть еще одну особенность этой схемы: для входного переменного напряжения резисторы  и  оказываются включенными параллельно (на общую точку схемы), если связь с предыдущим каскадом осуществляется непосредственно через разделительную емкость Ср. Такой шунт увеличивает входную проводимость каскада, что невыгодно.

15.3. Усилители малых сигналов звуковой частоты

По диапазону усиливаемых частот различают: усилители постоянного тока (УПТ), усилители звуковой частоты (УЗЧ) и усилители радиочастоты (УРЧ). Усилители постоянного тока способны усиливать сигналы в диапазоне от  до . АЧХ этих усилителей приведены на рис.15.7. Эти усилители используются для усиления сигналов, содержащих не только гармонические составляющие, но и постоянную составляющую, например, импульсные сигналы. Усилители звуковой частоты усиливают низкочастотные сигналы в диапазоне частот от ~20 Гц до ~20 кГц. АЧХ такого усилителя приведена на рис. 15.8. Специальными мерами частоту  увеличить до ~6,5 МГц. Такие усилители напряжения называются видеоусилителями и используются в телевизионных передатчиках и приемниках для усиления управляющих  телевизионных сигналов (видеосигналов). В усилителях радиочастоты в качестве нагрузки используется параллельный колебательный контур или система связанных контуров.

 


 Рис. 15.7 Рис. 15.8

 


 Рис. 15.9

Такие усилители усиливают колебания в полосе частот  в окрестности резонансной частоты  (рис. 15.9). Эти усилители используются  для усиления AM и ЧМ колебаний, а полосы пропускания усилителей включают несущую частоту , равную , и боковые составляющие, расположенные по оси частот выше и ниже частоты .


Познакомимся принципом работы резисторного усилителя звуковой частоты, приведены на рис. 15.10.

 Рис. 15.10

Наиболее часто транзисторы включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ), когда общим зажимом для входного и выходного напряжений является эмиттер, как на рис. 15.10.

Принцип термостабилизации тока через транзистор состоит в следующем. При нагреве транзистора постоянная составляющая тока эмиттера  возрастает, увеличивается и падение напряжения на сопротивлении : , рабочая точка на входной характеристике транзистора двигается влево, так как , уменьшается. Это приводит к уменьшению изменения тока через транзистор, т.е. к стабилизации этого тока икэ0 в биполярном транзисторе определяются по выходным характеристикам транзистора для получения требуемых . При выбранном сопротивлении нагрузки   (рис. 15.5) источник питания с нулевым внутренним сопротивлением должен обладать ЭДС: для биполярного транзистора . По переменному току практически нулевое внутреннее сопротивление источника питания обеспечивается использованием конденсаторов большой емкости в сглаживающих фильтрах выпрямителя источника питания. Так задается режим работы транзистора по постоянному току режим питания транзистора.

Чтобы подать на вход усилителя периодический сигнал, снять с выхода усилителя усиленный сигнал и не изменить режим работы транзистора по постоянному току, часто используют разделительные емкости на входе  и на выходе Ср2. Таким образом получают простейшие резисторные усилители напряжения звуковой частоты на транзисторе.

Для расчета коэффициента усиления усилителя и определения его АЧХ надо составить эквивалентную схему усилителя по переменному току. Для этого необходимо воспользоваться эквивалентной схемой транзистора, описывающей малые изменения токов и напряжений на зажимах транзистора при подаче на его вход малого сигнала.


Пусть, сопротивление источника питания  по переменному току равно нулю. Все вышесказанное позволяет изобразить эквивалентную схему резисторного усилителя в виде, приведенном на рис. 15.11. В случае биполярного транзистора ,  равно  транзистора. В схеме с общим эмиттером обычно эта величина порядка 100 Ом. Обычно к выходу усилителя подключают следующий каскад, входная  проводимость которого  определяет амплитуду напряжения  на выходе рассматриваемого усилителя.

  Рис. 15.11

Рассмотрим эквивалентную схему усилителя для трех диапазонов частот внутри полосы пропускания усилителя: средних, нижних и верхних частот. В диапазоне средних частот модули сопротивлений разделительных емкостей ,  много меньше модулей входных сопротивлений , ; Поэтому сопротивлениями емкостей  и  можно пренебречь и исключить их из схемы.


В этом же диапазоне модуль проводимости суммарной емкости  много меньше активной проводимости ; . Поэтому этими емкостями также можно пренебречь и

 Рис. 15.12

исключить их из схемы. В результате получаем эквивалентную схему усилителя для диапазона средних частот, приведенную на рис. 15.12. Переменный ток  протекает по выходной цепи  против часовой стрелки. Поэтому

 , .

Коэффициент усиления на средних частотах равен

  . (15.4)

Знак «» в формуле (15.2) означает, что выходное напряжение находится в противофазе (отличается по фазе на ) относительно входного напряжения .

Параметры слоев структур БПТ ИМС

В проектировании ИМС выполняются работы по выбору структур приборов плоскостных конфигураций и расчету их размеров. Расчеты конструкций опираются на совокупность исходных ограничений и параметров, которые условно делятся на две группы:

 первичные;

 вторичные.

К первичным целесообразно отнести ограничения и параметры, контролируемые или принимаемые в процессе выбора или формирования слоя. К ним могут быть отнесены:

поверхностная концентрация примеси в слое Nо[см–3];

толщина слоя Xо[см];

закон распределения примеси в слое N(x);

усредненное удельное объемное сопротивление слоя ρ [Ом·см]) или удельная электропроводность (σ = 1/ ρ);

удельное сопротивление омического контакта к слою, Rо [Ом·см–2];

сопротивление квадрата слоя, R□ [Ом];

диффузионная длина носителей заряда, Ln,p [см];

подвижность носителей заряда, М n,p [cм–2/В сек];

время жизни носителей заряда, Тn,p [сек];

напряжение пробоя изоляции, Uпр [В].

Этот список можно продолжить, так как прямым или косвенным способом возможно экспериментально определить практически любой параметр, который введен как показатель свойств слоя. Однако обычно экспериментально определяют или задают минимальное число параметров слоя, а все другие доопределяют расчетным путем, используя известные аналитические соотношения, табличные и графические зависимости. К доопределяемым параметрам слоев относится понятие «вторичные параметры».

Деление параметров на первичные и вторичные не является самоцелью. Для выполнения проектных расчетов конструкций элементов ИМС требуется определенная совокупность параметров слоев, которую необходимо всякий раз формировать как исходный справочный материал. Поэтому если необходимый параметр не обнаружен в перечне первичного справочного материала, то он неизбежно попадает в группу вторичных параметров и должен быть доопределен.

Приводимые далее соотношения и зависимости между известными (первичными) и доопределяемыми (вторичными) параметрами позволяют доопределять одни параметры слоя, если известны другие.

Расчетные соотношения и зависимости приводятся исключительно для слоев структур, выполняемых на кремнии.


На главную