Электронные схемы. Классификация. Сферы применения.

Электронные схемы. Классификация. Сферы применения.

 

Понятие электронной схемы несколько уже, чем понятие электрической схемы. Электрической схемой называется любая взаимосвязанная совокупность электрических компонентов, работа которых подчиняется электрическим законам.

Электронной схемой называют такую электрическую схему, в составе которой есть элементы, усиливающие мощность поступающего на них электрического сигнала, – это основная особенность электронной схемы и электроники в целом.

ЭС предназначены для:

 

Генерации электрических сигналов различной формы

	синусоидальной
	однополярный и
	двухполярный импульсный,
	пилообразный и т.п.

 

2. Преобразования величины, формы и временного положения сигнала.

 

Усиление или ослабление без искажения формы.

 

Интегрирование (сложение) сигналов.

 

Дифференцирование (нахождение скорости) процесса.

 

Задержка во времени.

. Знак равенства может быть в любом одном случае в зависимости от условий.

 

Селекция (выбор) сигналов по заданному признаку.

 

По амплитуде:

 

По частоте (здесь – условие ):

 

Выполнение логических функций.

 

		НЕ
		ИЛИ и ИЛИ-НЕ
		И и И-НЕ

 

Компоненты электронных схем.

 

Компоненты ЭС делятся на пассивные (не изменяют мощность)) и активные (могут изменять мощность).

 

Пассивные компоненты.

	Сопротивление.
	Конденсатор.
	Индуктивность.
	Трансформатор. Трансформатор – это устройство, состоящие из двух индуктивно связанных катушек индуктивности, называемой первичной и вторичной обмоткой. При  - повышающий  - коэффициент усиления (трансформации)
Диоды.
	-переход.                                    (1) - коэффициент неидеальности -перехода (обычно  а при  диод считается бракованным)
	Металл-полупроводник (диод Шоттки).
	Светодиод. Всегда
	Фотодиод.
	Оптрон.  (обычно ) – коэффициент передачи по току.

 

Активные компоненты (только различные виды транзисторов).

 

Биполярный транзистор.

 

 

БТ имеют токовое управление.

 

Металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).

Если на сток подать положительное напряжение, а на исток – отрицательное напряжение, то возникнет разность потенциалов, но токов не будет ( -переход смещён в обратную сторону).

Если на сток подать положительное напряжение, на исток – отрицательное напряжение, а к затвору приложить положительный потенциал, то возникнет канал – подтянувшийся к диэлектрику слой электронов – и ток потечёт по каналу от стока к истоку.

 

-канальный МДПТ с индуцированным каналом.

 

Как частный случай МДПТ можно выделить практически значимые МОПТы (металл-оксид-полупроводник).

 

 

 

-канальный МДПТ со встроенным каналом.

 

 

Так же существуют -канальные приборы.

              

 

МДП и МОП транзисторы – это полевые приборы, т.е. ток в канале управляется полем (потенциалом, приложенным к затвору), а ток затвора .

 

Полевые транзисторы с затвором Шоттки.

 

Для арсенида галлия .

 

Физическая структура.

 

Рассмотрим простейший фрагмент ИС, состоящий из БТ и нагрузочного транзистора.

 

 

Модель БТ для расчёта схем.

 

Рассмотрим БТ как систему взаимодействующих между собой -переходов. Взаимодействие осуществляется через базу транзистора.

 

 

                                                                                                      (2)

 

С электрический точки зрения, любой -переход моделируется диодом. Это означает, что каждый -переход может быть представлен обычным полупроводниковым диодом.

Чтобы задать транзистор, достаточно двух токов, третий задаётся уравнением (2).

Токи, протекающие через -переходы (диоды):

                                                                                            (3)

                                                                                            (4)

 - температурный коэффициент.

,  - коэффициенты неидеальности переходов (,  больше единицы и обычно равны ).

 

Процесс передачи токов в транзисторе следующий. Инжектируется ток . При прохождении этого тока через базу толщиной  часть этого тока рекомбинирует (теряется). В результате в коллекторе собирается ток , где  - коэффициент передачи. Аналогично, в эмиттере собирается ток , где  - коэффициент передачи в обратном направлении.

 

Режимы работы БТ.

 

1. Нормальный активный.

                             

                                                                                                       (5)

                                                                                                             (6)

 

 - прямое смещение;

 - обратное смещение.

Для обычных транзисторов .

 

2. Инверсный активный.

 

                                                                                                        (7)

                                                                                                              (8)

 

 - прямое смещение;

 - обратное смещение.

Для обычных транзисторов .

 

3. Насыщение.

 

                                                                                        (9)

 

;

.

 

4. Отсечка.

 

-переходы не инжектируют, транзистор полностью закрыт и все токи тождественны нулю:

.                                                                                                  (10)

 

;

.

 

Инверсный активный режим на практике используется крайне редко.

 

 

 

Резисторов

 

 

Эквивалентная электрическая схема диффузионного резистора, ограниченного обратно смещённым p–n-переходом:

 

Модель Эберса-Молла.

 

Исходя из физических принципов работы БТ, можно построить эквивалентную схему транзистора.

 

Эта схема применима в любом режиме работы БТ.

 

                                             (11)

                                        (12)

 

 

Уравнения (11) и (12), являясь моделью БТ, имеют 4 параметра -перехода   и 2 параметра базы:  и . Итого 6 параметров.

 

Реальный БТ.

 

Выше мы рассмотрели идеальную эквивалентную схему БТ. В реальном транзисторе будут дополнительно наблюдаться эффекты:

1. Влияния омических сопротивлений областей эмиттера, базы и коллектора.

2. Эффект модуляции толщины базы (эффект Эрли).

 

Распределение примесей.

 

 

Из графика распределения примесей мы видим, что эмиттерный переход является резким, т.е. концентрация там меняется сильно, а коллекторный переход является плавным.

 

Градиент концентрации в коллекторном переходе:

.

 

Из теории полупроводниковых приборов известно

 

Полевые транзисторы.

 

МОП-транзисторы.

 

-канальный с индуцированным каналом.
-канальный со встроенным каналом.
-канальный с индуцированным каналом.
-канальный со встроенным каналом.

 

Транзисторы со встроенным каналом называются транзисторами обеднённого типа, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащённого типа.

 

Рассмотрим, далее, более подробно -канальный транзистор с индуцированным каналом.

 

 

 - удельная ёмкость МОП-структуры под электродом затвора.

 

 

ВАХ МОПТа.

 

 

В МОПТ имеется один ток – ток стока, идущий по каналу. В затворе тока нет, т.к. канал от контакта отделяет диэлектрик.

 

Входная характеристика.

 

 

Будем полагать, что все потенциалы отсчитываются от истока.

 

 - напряжение, при котором появляется ток.

 

Выходные характеристики.

 

 

 

На выходных ВАХ МОПТ можно выделить два характерных участка:

1. Участок крутых характеристик (ток стока растёт достаточно быстро). По аналогии с вакуумными электронными лампами, этот участок назван триодным участком.

2. Участок пологих характеристик (ток стока практически не растёт). По аналогии с ВЭЛ, участок называется пентодным.

 

Из теории МОПТ можно показать, что выражения для ВАХ МОПТ имеют следующий вид.

 

1. В триодной области ( ).

 

Напряжение, соответствующее границе двух участков на каждой из ветвей называется напряжением отсечки. Для каждой ветви  имеет своё значение.

 

 и  - это разные вещи!

 

,                                          (25)

где  - удельная крутизна МОПТ, .

, где

 - удельная ёмкость МОП-структуры под электродом затвора.

,

 - коэффициент влияния подложки.

 

Из (25) видно, что  - это парабола.

Примечание. Очевидно, что в отличие от БТ ток стока в МОПТ растёт медленнее, т.к. зависимость тока от приложенного напряжения в МОПТ – квадратичная, а в БТ – экпоненциальная.

 

Типичные токи в МОПТ – микроамперы, в БТ – миллиамперы. Т.о. токи в МОПТ примерно в 100 раз меньше чем в БТ. Отсюда вывод: в переносной аппаратуре (на автономных источниках питания) используют МОПТ, т.к. МОПТ потребляет меньшие токи. Однако, БТ быстрее МОПТ за счёт уменьшения времени зарядки ёмкостей, т.к. ток через ёмкость до полной её зарядки не течёт.

 

 

 

Доопределим понятие  из следующего выражения:

Дифференцируем (25):

                                                                                         (26)

 

Физическая суть коэффициента влияния подложки заключается в том, что  учитывает, что нижний электрод МОП-структуры – это полупроводник, а не металл. В результате ёмкость такой МОП-структуры отличается от ёмкости идеального конденсаторы в худшую сторону.

 

2. Пентодная область ( ).

 

                                                                        (27)

 

Видно, что на участке пологих характеристик ток  не зависит от  и ветви ВАХ идут горизонтально. ВАХ на этом участке зависит только от потенциала , приложенного к затвору.

 

Примечание. Коэффициент влияния подложки будем вычислять по формуле

,

где  - уровень Ферми

 

В цифровых схемах на МДПТ уровень логической единицы  может меняться в пределах от  до .

 

ПТШ на арсениде галлия.

 

Особенности арсенида галлия для построения сверхбыстродействующих цифровых устройств:

1. Более высокая (в 6-7 раз) подвижность электронов, чем у кремния.

2. Ширина запрещённой зоны больше, чем у кремния, что увеличивает устойчивость к помехам и диапазон рабочих температур.

3. Удельное сопротивление больше, чем у кремния, что позволяет использовать  как диэлектрик, т.е. не требует изоляции.

 

К недостаткам  относятся ядовитость, большие механическая хрупкость и сложность получения, чем у кремния.

 

ВАХ для тока затвора ПТШ.

 

В отличие от МОПТ, в ПТШ имеет место ток затвора , равный току диода Шоттки.

В практических схемах исток заземляется, поэтому ток затвора течёт в исток. Тогда суммарный ток истока

.

(т.к. при  начинает работать диод Шоттки и к току стока  добавляется ток затвора ).

Т.о. в ПТШ, как и в БТ, имеется 2 тока, а не 1 как в МОПТ.

 

.

,                                                                             (30)

где  - коэффициент неидеальности диода Шоттки.

 

Можно показать, что для контакта Шоттки

,

где  - площадь затвора;

 - постоянная Ричардсона;

 - потенциал барьера Шоттки.

 

Эквивалентная схема ПТШ.

 

 

 и  рассчитываются на основании конструкции и справочных данных.

 

Ключи на БТ.

 

 

Транзистор переходит в насыщение и устанавливается напряжение .

 

 

                               

 

 

 

 

1. Участок .

; ;                                                                                      (31)

 

2. Участок .

;

                                                                            (32)

 

                                                                                                   (33)

 

                                                                               (34)

 

 

                                                                                          (35)

 

Подставляем (35) в (34):

 

                                                                (36)

 

Формула (36) выражает  через  на участке, где транзистор работает в нормальном режиме.

 

Нужно чтобы зона  была как можно меньше. Для этого нужно увеличивать  и уменьшать .

 

3. Участок .

                                                   (37)

                                                                      (6)

 

Токовые ключи.

 

Токовые ключи представляют собой схемотехническую разновидность ключей. В данной схеме устраняется время рассасывания при переключении ТК.

Идея ТК заключается в том, чтобы заставить работать схему исключительно в нормальной активной области, чтобы ТК никогда не мог войти в насыщение (режим насыщения в такой схеме отсутствует).

 

 

Рассмотрим режимы работы ТК.

 

1. При отсутствии  транзистор заперт и через него ток не протекает ().

Ток протекает только через нижнюю цепь: , диод , , .

.                                                                                                (51)

 

2. На вход подаётся отпирающий сигнал . Транзистор отпирается, появляются токи коллектора и эмиттера. Достаточно большой ток  создаёт падение напряжения  (схема так подобрана, чтобы выполнялось это неравенство). В результате диод  отключается.

Теперь путь тока следующий: , , транзистор, , .

                                                                                       (52)

Логический перепад:

                                                                                  (53)

 

Сформулируем условие, при котором транзистор никогда не входит в режим насыщения.

Нормальный активный режим: , . Т.е. эмиттерный переход открыт, а коллекторный переход закрыт.

Режим насыщения: , .

Если , то .

                                                                                                (54)

 

Время рассасывания отсутствует и из всех имеющихся на сегодняшний день стандартных ключей, ТК являются самыми быстродействующими.

 

 

 

Для увеличения тока переключения  в схему ставится источник .

                                                                                           (55)

 

Схема может работать и без источника , но ток  будет достаточно мал.

 

Токовые переключатели используются для реализации логических элементов ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики).

 

 

 появляется в том случае, если хотя бы на один из входов было подано напряжение .

 

ТК на транзисторе Шоттки.

 

Эта разновидность ТК использует конструктивно-технологический принцип уменьшения времени переключения.

 

Рассмотрим принцип формирования на полупроводниковом кристалле транзистора Шоттки.

 

 

 

 

Рассмотрим систему, состоящую из двух параллельных диодов, включённых между базой и коллектором. Это, во-первых, коллекторный -переход, а во-вторых, диод Шоттки.

 

 

Нормальный активный режим: ; .

Режим насыщения: ; .

 

В нашем случае, для ПТШ, коллекторный переход будет под напряжением , т.е. полузакрыт (этого напряжения недостаточно, чтобы протекал ток). Можно считать, что ПТШ никогда не войдёт в режим насыщения.

Т.о. стадия рассасывания отсутствует.

ПТШ очень часто используются в практических схемах. На них выпускается несколько стандартных серий микросхем (ТТЛ/Ш).

 

Ключи на МОПТ.

 

Обобщённый ключ на МОПТ имеет следующий вид.

 

 

Все ключи на МОПТ всегда имеют переключательный транзистор с индуцированным -каналом. Нагрузка может меняться.

 

1. С линейной нагрузкой .

 

 

2. С нелинейной нагрузкой.

 (нагрузочный транзистор) и  (активный транзистор) имеют -канал.

 

имеет индуцированный канал

имеет встроенный канал

 

 

3. Комплементарный (КМОП).

Нагрузочный транзистор имеет -канал.

 

 

Для КМОП-ключа объединяются затворы - и -канального транзисторов и подключаются на вход, и объединяются стоки и подключаются на выход.

Если условно посередине провести линию, то увидим, что схема симметрична.

 

Ключ на КМОПТ.

 

 

Достоинства: в рабочих состояниях (  и ) ключ не потребляет тока и мощности. Рассмотрим причины.

При подаче на вход напряжения логического нуля.

 открыт,  закрыт.

 и общий ток также равен нулю.

.

При подаче на вход напряжения логической единицы.

 закрыт,  открыт.

 и общий ток также равен нулю.

.

 

Передаточная характеристика.

 

 

Передаточная характеристика КМОП-инвертора имеет 5 характерных участков.

 

1. .

                                                                                              (79)

 

2. .

 () работает в пентодной, а  () - в триодной области.

 

3.  (вертикальный участок).

Оба транзистора работают в пентодной области.

 

4. .

 работает в триодной, а  - в пентодной области.

 

5. .

 закрыт.

                                                                                                   (80)

 

Достоинства.

1. Очень хорошие значения логических уровней: ; .

2. Передаточная характеристика симметрична. Это значит, что запасы помехоустойчивости по нулю и единице одинаковы.

 

Примерно 90-95% всех схем выполняется по КМОП-технологии из-за малой потребляемой мощности.

 

К недостаткам можно отнести не достаточно высокое быстродействие, т.к. токи  и  достаточно малы.

Электронные схемы. Классификация. Сферы п