.
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

генераторы гармонических сигналов

  Для создания автогенератора с колебательным контуром на низких частотах (меньше 1520 кГц) требуется использовать слишком большие катушки индуктивности, так как частота колебаний генератора .

В связи с этим низкочастотные генераторы обычно используют различны цепи в звеньях положительной обратной связи. Эти цепи обычно имею квазирезонансные характеристики, со сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями, равным нулю или 180°. Две такие цепи приведены на рис. 16.11. Первая цепь (рис. 16.11а) состоит из трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых обеспечивает сдвиг по фазе на 60°. В результате выходное напряжение будет сдвинуто по отношения к входному на 180°С. Для возбуждения колебаний усилитель также должен иметь сдвиг по фазе, равный 180°, т. е. должен быть инвертирующим.

Вторая цепь, изображенная на рис. 16.11б, называется мостом Вина и на квазирезонансной частоте обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю, поэтому для возбуждения колебаний усилитель должен быть неинвертирующим.

Мост Вина состоит из двух звеньев: первое звено состоит из последовательного соединения R и С и имеет сопротивление


 а)  б)

 Рис. 16.11

 Рассмотрим принцип работы простейшего генератора гармонических колебаний изображен на рис. 16.12.



Рис. 16.12 Рис. 16.13

В схеме рис. 16.12 назначение то же, что и в усилителях. Сдвиг фаз  между напряжением  и составляет , как у любого резисторного усилителя. Цепь обратной связи состоит из трех звеньев C1R1, C2R2 , C3R3; каждое звено рассчитывается так, что для какойто одной частоты оно обеспечивает сдвиг фаз , так что три звена обеспечивают набег фазы . В итоге имеем , т. е. условие баланса фаз в схеме генератора выполняется, но только для одной частоты. На этой частоте и происходит генерация гармонических колебаний. При Rl = R2 = R3, Cl = C2 = C3

 

(сопротивления делителя R4, R5 и выходное сопротивление транзистора выбираются так, чтобы они незначительно влияли на частоту генерации).

Широкое распространение получили RCавтогенераторы гармонических колебаний с мостом Вина. Схема такого автогенератора, построенного на двух полевых транзисторах, представлена на рис. 16.13. Сопротивления ,  служат для создания необходимого автоматического смещения на участках затвористок транзисторов VTl ,VT2 и для создания отрицательной обратной связи по переменному току; цепочка Roc, Coc также служит для увеличения отрицательной обратной связи, назначение , ,  то же, что во всех резисторных усилителях. Соединение ,  
называется мостом Вина; мост Вина является цепью обратной связи автогенератора, напряжение обратной связи снимается с участка  (между точками АВ).

Чтобы выполнялось условие баланса амплитуд () коэффициент усиления двухкаскадного усилителя на рис. 16.13 должен быть небольшим (несколько единиц, при , , всего лишь ), поэтому в схему автогенератора вводят отрицательные обратные связи, которые создаются за счет цепочки , , а также за счет ,  (см. рис. 16.13); если не вводить отрицательную обратную связь, то изза большого коэффициента усиления возможно отклонение выходного сигнала от синусоидальной формы.

Условие баланса фаз в таком автогенераторе, содержащем два каскада усиления  и выполняется при п=1 на частоте генерации , так как фаза коэффициента передачи каждого усилителя  (резисторный усилитель изменяет на  фазу выходного колебания по сравнению с фазой входного), а действительно, т. е. .

16.5. Генераторы негармонических колебаний

16.5.1. Генератор пилообразных сигналов на тиратроне

Для передачи информации в виде кодированных импульсных посылок, для одновременного запуска различных устройств, для последовательного срабатывания различных цепей через определенные промежутки времени и для других целей в современных радиотехнических устройствах широко используются генераторы электрических колебаний самой различной несинусоидальной формы. Такие колебания получили название релаксационных.


Простейшая схема генератора релаксационных колебаний показана на рис. 16.14а. В ней к источнику постоянного тока Е через резистор 

 Рис. 16.14

R  подключена неоновая лампа НЛ, параллельно которой включен конденсатор С. Начиная с момента включения, конденсатор заряжается от источника через резистор R. Когда напряжение на конденсаторе достигает потенциала зажигания неоновой лампы, в ней возникает ионный разряд, внутреннее сопротивление ее становится весьма малым (оно измеряется обычно сотнями ом) и конденсатор начинает разряжаться через лампу. Разряд продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не упадет до потенциала гашения, который лежит ниже потенциала зажигания. Резистор R ограничивает ток, протекающий от источника, и не дает возможности поддерживать разряд в лампе, поэтому она гаснет и конденсатор начинает снова заряжаться от источника через резистор R.

Процесс заряда и разряда конденсатора через резистор происходит по экспоненциальному закону. При заряде конденсатора через большое сопротивление резистора R процесс нарастания напряжения происходит медленно, а разряд через малое внутреннее сопротивление открытой лампы протекает во много раз быстрее. На рис. 16.14б приведен график изменения напряжения на конденсаторе, имеющий пилообразный характер.

Несмотря на свою простоту, такой генератор используется сравнительно редко изза нестабильности потенциалов зажигания и гашения неоновой лампы, которые зависят от температуры, освещения, предыдущего состояния прибора и других случайных причин, а также вследствие малой амплитуды колебаний.

Технологические варианты структур БПТ

Основные конструктивно-технологические разновидности структур биполярных транзисторов изображены на рисунках 2.11—2.16.

Структура планарного транзистора, сформированного тройной диффузией (см. рис. 2.11), находит ограниченное применение, что объясняется достаточно большим сопротивлением коллекторного слоя БПТ и занижением рабочих напряжений вследствие значительного различия концентраций на поверхности и глубине коллекторного и базового слоев структуры.

В структуре БПТ изображенной на рисунке 2.12, коллекторная область формируется с эпитаксиальным наращиванием на пластину кремния слоя с противоположным ей типом проводимости.

 Диффузией примесей в эпитаксиальном коллекторном слое (ЭПСК) формируются изолированные p-n-переходом разделительные кольцевые области, охватывающие в ЭПС островки — «карманы». В карманах размещаются БПТ и (или) иные элементы ППИМС.

Дополнительное снижение сопротивления коллекторного слоя на работу БПТ структуры обеспечивается размещением под базовым слоем в ЭПСК скрытого диффузионного слоя того же типа проводимости с концентрацией атомов примеси Nдсс > (Nэпс = Nдк). Скрытый диффузионный слой формируется перед эпитаксиальным наращиванием ЭПС коллектора (ЭПСК). Максимальный уровень концентрации примеси Nдсс и толщина скрытого слоя выбираются таким образом, чтобы не ухудшить электрическую прочность изоляции донной части структуры с ЭПСК (рис. 2.12). Распределение примесей в скрытом слое соответствует многоэтапной диффузии. Существенным недостатком структуры с ЭПСК являются значительные потери площади кристалла, связанные формированием разделительной области. Так, при толщине ЭПСК не менее (5–6) мкм и глубине разделительной диффузии не менее (7–8) мкм, на поверхности пластины ширина кольца разделительной области занимает не менее (18–22) мкм.

 Половина ширины разделительного кольца по периметру изолируемого БПТ включается в площадь, занятую транзистором.

В структуре БПТ, изображенной на рисунке 2.13, базовый слой выполнен эпитаксиальным наращиванием по локальным «скрытым» коллекторным диффузионным слоям. Выводы от «скрытого» коллектора на поверхность кристалла формируются разделительной диффузией примесей, обеспечивающих тип проводимости раздели-тельной области, аналогичный типу проводимости кол-лекторного слоя. Благодаря этому структура известна как структура с разделительной коллекторной диффузией (КИД-структура). Так как эпитаксиальная технология формирования слоев применяется однократно для структуры БПТ, то далее эта структура будет обозначаться как структура с эпитаксиальным слоем базы (структура с ЭПСБ).

В ЭПСБ-структуре толщина ЭПС составляет (2–3) мкм, разделительная область одновременно используется для размещения коллекторного контакта, что позволяет существенно уменьшить плоскостные размеры БПТ в сравнении со структурой с ЭПСК.

Недостатками структуры с ЭПСБ являются снижение быстродействия, вследствие отсутствия ускоряющего поля в базе БПТ, и снижения рабочих напряжений из-за повышенных концентраций и их градиентов в разделительной области.


Структура БПТ с однородно легированной коллекторной областью и скрытым слоем, изолированная от подложки пленкой окисла SIO2, изображена на рисунке 2.14.

 Позиционным обозначениям (1–6) на рисунке соответствуют следующие области структуры:

1 — пассивное несущее основание (поликремний или ситалл);

2 — «скрытый» диффузионный или ЭПС легированный слой;

3 — коллекторный монокристаллический слой;

4 — слой диэлектрической изоляции (пленка окисла SIO2 для кремния);

 5 — легированная область под контактом к коллекторному слою;

 6 — защитный слой изоляции контактов к электродам структуры БПТ.

Эмиттер и база БПТ формируются процессами диффузии примеси, с возможным применением ионной имплантации на стадии загонки примеси или формирования тонкого эмиттера.

Структура БПТ (см. рис. 2.14) может быть реализована различными методами. Ее различные варианты известны как:

ЭПИК-структура (эпитаксиальная с изоляцией пассивирующей пленкой);

КВД-структура (п/п карман в диэлектрике);

ДИАК модификации (изоляция кармана алюмокерамикой);

ДЕКАЛЬ модификации (изоляция кармана воздушными зазорами).


На главную