Электротехника и электроника

1. Дисциплина: Электротехника и электроника

Лектор: Валерий Петрович Довгун
доктор технических наук, профессор

2. АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ: Лекции, практические задания, лабораторные работы

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА:
1. Подготовка к выполнению и защите
лабораторных работ.
2. Самостоятельное изучение
отдельных разделов курса.
Электротехника и электроника
2

3. ИТОГОВАЯ АТТЕСТАЦИЯ

Третий семестр: зачет.
Четвертый семестр: экзамен.
Электротехника и электроника
3

4. Рекомендуемая литература

1. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника:
учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. –
653 с.
2. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб.
пособие: в 2-х ч. Ч. 1 / В. П. Довгун. – Красноярск:
ИПЦ КГТУ, 2006. – 270 с.
3. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб.
пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск:
ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.
Электротехника и электроника
4

5.

Первые компьютеры
Электротехника и электроника
5

6.

Первые компьютеры
Электротехника и электроника
6

7.

Электрические свойства полупроводников
Полупроводниками называют вещества, удельная
проводимость которых имеет промежуточное значение
между удельными проводимостями металлов и
диэлектриков.
В отличие от металлов в полупроводниках носители
заряда возникают при повышении температуры или
поглощении энергии от другого источника.
В полупроводниках электропроводность
осуществляется двумя различными видами движения
электронов. Проводимость полупроводников можно
менять в широких пределах, добавляя ничтожно малые
количества примесей.
Электротехника и электроника
7

8.

Электрические свойства полупроводников
Структура кристалла кремния
Атомы кремния способны объединять свои
валентные электроны с другими атомами кремния с
помощью ковалентных связей.
Электротехника и электроника
8

9.

Электрические свойства полупроводников
При освобождении электрона в кристаллической
решетке появляется незаполненная межатомная связь.
Такие «пустые» места с отсутствующими электронами
получили название дырок.
Возникновение дырок в кристалле полупроводника
создает дополнительную возможность для переноса
заряда. Дырка может быть заполнена электроном,
перешедшим под действием тепловых колебаний от
соседнего атома.
Последовательное заполнение свободной связи
электронами эквивалентно движению дырки в
направлении, противоположном движению электронов, что
равносильно перемещению положительного заряда.
Электротехника и электроника
9

10.

Электрические свойства полупроводников
Таким образом, в полупроводнике имеются два типа
носителей заряда – электроны и дырки, а общая
проводимость полупроводника является суммой
электронной проводимости (n-типа) и дырочной
проводимости (р-типа).
Для увеличения проводимости чистых
полупроводниковых материалов применяют легирование –
добавление небольших количеств посторонних элементов,
называемых примесями.
Используются два типа примесей. Примеси первого
типа – пятивалентные – состоят из атомов с пятью
валентными электронами. Примеси второго типа –
трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными
электронами.
Электротехника и электроника
10

11.

Периодическая система элементов Д.И.
Менделеева
Электротехника и электроника

12.

Электрические свойства полупроводников
Структура кристалла кремния, легированного
пятивалентным материалом (фосфором)
Электротехника и электроника
12

13.

Электрические свойства полупроводников
Атом фосфора называют донором, поскольку он
отдает свой лишний электрон.
Электроны в таком полупроводнике являются
основными носителями, а дырки – неосновными
носителями. Основные носители имеют отрицательный
заряд, поэтому такой материал называется
полупроводником n-типа.
В качестве донорных примесей для германия и
кремния используют фосфор, мышьяк, сурьму.
Электротехника и электроника
13

14.

Электрические свойства полупроводников
Когда полупроводниковый материал легирован
трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы
разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов.
Это создаст в ковалентной связи дырку.
Структура кристалла кремния, легированного трехвалентным
материалом
Электротехника и электроника
14

15.

Электрические свойства полупроводников
Так как дырки легко принимают электроны, то
атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные
дырки, называются акцепторами.
Дырки являются основными носителями, а
электроны – неосновными. Поскольку основные носители
имеют положительный заряд, материал называется
полупроводником р-типа.
В качестве акцепторных примесей в германии и
кремнии используют бор, алюминий, галлий, индий.
Электротехника и электроника
15

16.

Вольт-амперная характеристика р–n-перехода
Контакт двух полупроводников с различными типами
проводимости называется р–n-переходом. Сопротивление
р–n-перехода зависит от направления тока через него.
Поскольку концентрация электронов в n-области
значительно больше их концентрации в p-области,
происходит диффузия электронов из n-области в pобласть. В n-области остаются неподвижные
положительно заряженные ионы доноров.
Одновременно происходит диффузия дырок из pобласти в n-область. За счет этого приграничная р-область
приобретает отрицательный заряд, обусловленный
отрицательно заряженными ионами акцепторов.
Электротехника и электроника
16

17.

Вольт-амперная характеристика р–n-перехода
Прилегающие к р–n-переходу области образуют слой
объемного заряда, обедненный основными носителями. В
слое объемного заряда возникает контактное
электрическое поле Ek, препятствующее дальнейшему
переходу электронов и дырок из одной области в другую.
Электротехника и электроника
17

18.

Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – двухполюсный прибор,
имеющий один p–n-переход.
Упрощенная структура диода
p
n
Электрод диода, подключенный к p-области, называют
анодом (А), а электрод, подключенный к n-области – катодом
(К).
Электротехника и электроника

19.

Полупроводниковые диоды
Область с высокой концентрацией примеси
называют эмиттером. Функции эмиттера может
выполнять как катод, так и анод. Область с низкой
концентрацией примесей называют базой. База имеет
значительно большее объемное сопротивление, чем
эмиттер.
Условное графическое обозначение диода
Электротехника и электроника
19

20.

Полупроводниковые диоды
Вольт-амперная характеристика диода
Электротехника и электроника
20

21.

Полупроводниковые диоды
Идеальная ВАХ p–n-перехода описывается
выражением
U
I I0 e
Vt
1
,
Здесь:
Vt kT e – температурный потенциал;
k –постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура в градусах Кельвина;
e – заряд электрона.
При комнатной температуре (20 C) Vt 25.2 мВ .
Для упрощения расчетов полагают, что при комнатной
температуре Vt 25 мВ .
Электротехника и электроника
21

22.

Полупроводниковые диоды
Ток I0 называют тепловым, или обратным, током
насыщения. Величина этого тока зависит от материала,
площади p–n-перехода и от температуры.
Типичные значения I0 : от 10-12 до 10-16 А. Обратный
ток диода зависит от температуры. У кремниевых диодов
он удваивается при увеличении температуры
приблизительно на 7 С. На практике считают, что
обратный ток кремниевых диодов увеличивается в 2,5
раза при увеличении температуры на каждые 10 С.
Электротехника и электроника
22

23.

Полупроводниковые диоды
Если прямое напряжение перехода U > 0.1 B,
U
то e
Vt
1 , и уравнение диода можно
записать в упрощенном виде:
I I 0e
Электротехника и электроника
U Vt
I 0e
40U
.
23

24.

Pin-диод

25.

Диод Шоттки
Электротехника и электроника

26.

Анализ цепей с диодами
Основная трудность, возникающая при анализе
цепей с диодами:
ВАХ диода нелинейна в середине рабочей области.
Простейшую модель диода можно получить, полагая
прямое напряжение и обратный ток равными нулю.
Такой элемент называют идеальным диодом.
Поведение идеального диода описывается
уравнениями:
U 0, I 0;
I 0, U 0.
Мощность идеального диода при любой полярности
приложенного напряжения равна нулю:
p ui 0
26

27.

Анализ цепей с диодами
Вольт-амперная характеристика идеального диода
образована двумя отрезками прямых, совпадающих с
осями координат U, I.
Когда диод смещен в прямом направлении, он
эквивалентен короткому замыканию.
При обратном напряжении идеальный диод
подобен разрыву.
Электротехника и электроника
27

28.

Анализ цепей с диодами
Более точная модель диода:
Электротехника и электроника
28

29.

Анализ цепей с диодами
При анализе цепей с идеальными диодами можно
использовать следующую процедуру.
1. На первом шаге полагаем, что все диоды
смещены в прямом направлении, и заменяем их
короткими замыканиями.
2. Анализируем полученную схему и определяем
направления токов через диоды. Если направление тока,
полученное в результате расчета, совпадает с прямым
током диода, оставляем короткое замыкание, если нет –
заменяем его разрывом.
3. Анализируем цепь, полученную на втором шаге, и
находим фактические значения напряжений и токов.
Электротехника и электроника
29

30.

Выпрямители
Выпрямители служат для преобразования
переменного напряжения питающей сети в постоянное.
Основными компонентами выпрямителей служат
вентили – элементы с явно выраженной нелинейной ВАХ.
В качестве таких элементов используют кремниевые
диоды.
Однополупериодный выпрямитель
Электротехника и электроника
30

31.

Выпрямители
Напряжения на входе и выходе однополупериодного
выпрямителя
Среднее значение
выпрямленного напряжения
U ср
U вх m
2 U вх
Электротехника и электроника
0.45U вх
Максимальное обратное
напряжение на диоде
U обрmax 2U вх U ср
31

32.

Выпрямители
Двухполупериодный выпрямитель с выводом от
средней точки вторичной обмотки трансформатора
u1
VD2
Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение
полупериода.
В положительный полупериод открыт диод VD1, а в
отрицательный – диод VD2.
Электротехника и электроника
32

33.

Выпрямители
Напряжение на нагрузке
Средние значения тока и напряжения нагрузки
2U 2 m
2
2U 2
I н I 2m ; U н
0.9U 2
Электротехника и электроника
33

34.

Выпрямители
Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя
Tp
VD1
u1
VD2
u2
VD3
VD4
R
uн
Электротехника и электроника
34

35.

Выпрямители
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения
используют специальные устройства – сглаживающие фильтры
Емкостный фильтр (С-фильтр) в схеме
однополупериодного выпрямителя
Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения
происходит за счет периодической зарядки конденсатора С
(когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора
превышает напряжение на нагрузке) и последующей его
разрядки на сопротивление нагрузки
Электротехника и электроника
35

36.

Выпрямители
Временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя
Электротехника и электроника
36

37.

Выпрямители
На интервале времени t1 – t2 диод открыт и
конденсатор заряжается.
На интервале t2 – t3 диод закрыт и конденсатор
разряжается через сопротивление Rн
Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения
Um
Ur
fRнС
f - частота входного напряжения
Амплитуда пульсаций напряжения на выходе
двухполупериодного выпрямителя
Um
Ur
2 fRнС
Электротехника и электроника
37

38.

Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор – трёхполюсный
полупроводниковый прибор с двумя p–n-переходами
n–p–n- транзистор
Электротехника и электроника

39.

Биполярные транзисторы
p–n–p- транзистор
Электротехника и электроника
39

40.

Биполярные транзисторы
Структура биполярного транзистора
p
n
n
Электротехника и электроника
40

41.

n-p-n транзистор
n
I к
IЭ
I ЭО
Инжекция дырок
Электротехника и электроника
I б
I КО
Рекомбинация
электронов в базе
n

42.

Биполярные транзисторы
Активный режим работы биполярного транзистора
Iк Iэ
– коэффициент передачи тока эмиттера.
У интегральных транзисторов = 0.99–0.995
Iэ Iк Iб
Электротехника и электроника
42

43.

Биполярные транзисторы
Режим отсечки:
Iэ Iб 0
U бэ 0.6 В
Режим насыщения:
U кэ 0.4В
Электротехника и электроника
43

44.

Характеристики биполярных транзисторов
Входная характеристика
Выходные характеристики
Iк, мА
Iб
Iб = 40 мкА
Iб = 20 мкА
Iб = 0
Uбэ
Электротехника и электроника
Uкэ, В
44

45.

Модели биполярных транзисторов
Линеаризованные характеристики биполярного
транзистора
Iк
Iб
Iб4
Iб3
Iб2
Iб1
Iб = 0
Uбэ
Электротехника и электроника
Uкэ
45

46.

Модели биполярных транзисторов
Модель биполярного транзистора для активного
режима
К
К
Iб
Б
Б Iб
Iб
Iб
Е0
Е0
Э
Электротехника и электроника
Э
46

47.

Модели биполярных транзисторов
Модель биполярного транзистора для режима
насыщения
Электротехника и электроника
47

48.

Усилительный каскад на биполярном
транзисторе
48
Электротехника и электроника

49.

Усилительный каскад на биполярном
транзисторе
Конденсаторы
С1 и С2 – разделительные;
Делитель напряжения R1 – R2 определяет
положение рабочей точки эмиттерного перехода.
Rэ - Сэ –
цепь отрицательной обратной связи.
Резистор RК преобразует изменение тока
коллектора в выходное напряжение.
Электротехника и электроника
49

50.

Усилительный каскад на биполярном
транзисторе
Анализ для постоянной составляющей
Электротехника и электроника
50

51.

Усилительный каскад на биполярном
транзисторе
Эквивалентная схема для постоянной составляющей
R2
Eб
Eк
R1 R2
R1 R2
Rб
R1 R2
Ток базы
Eб E0
Iб
Rб Rэ 1
Электротехника и электроника
Ток коллектора
Eб E0
Iк Iб
Rб Rэ 1
51

52.

Усилительный каскад на биполярном
транзисторе
Схема замещения для переменной составляющей
Выходное напряжение
uвых g m Rк Rн eвх
Электротехника и электроника
52

53.

Полевые транзисторы
Полевой транзистор – полупроводниковый прибор,
в котором регулирование тока осуществляется
изменением проводимости проводящего канала с
помощью поперечного электрического поля
Электроды полевого транзистора – исток (И), сток (С) и
затвор (З).
Управляющее напряжение прикладывается
между затвором и истоком
Электротехника и электроника
53

54.

Полевые транзисторы
Классификация полевых транзисторов
1. С управляющим p–n-переходом;
2. С металлическим затвором, изолированным от
канала диэлектриком.
Приборы второго типа называют МОП-транзисторами.
Электротехника и электроника
54

55.

Полевой транзистор с управляющим p–nпереходом
Р
Р+
Электротехника и электроника
55

56.

Полевой транзистор с управляющим p–nпереходом
Выходные характеристики
Uзи = –1 В
Uзи = –2 В
Uзи = –3 В
Электротехника и электроника
56

57.

Полевой транзистор с управляющим p–nпереходом
Передаточная характеристика
При напряжении затвор-исток, равном напряжению
отсечки U отс ток стока близок к нулю.
У n-канального ПТ напряжение затвор-исток
отрицательно.
Электротехника и электроника
57

58.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
Электротехника и электроника
58

59.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
Выходные характеристики
Режимы полевого транзистора:
- линейный;
- насыщения;
- отсечки.
Электротехника и электроника
59

60.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
Линейный (триодный) режим работы МОПтранзистора
U зи U 0
Eб E0
Iк Iб
Rб Rэ 1
Ток стока
I с b U зи U0 Uси 0.5U
Электротехника и электроника
2
си
60

61.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
b – удельная крутизна МОП-транзистора:
W
b C.0
L
– приповерхностная подвижность носителей,
C 0 – удельная емкость затвор-канал,
L – длина, W – ширина канала.
Электротехника и электроника
61

62.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
При малых значениях напряжения сток-исток
I с b U зи U 0 U си
При малых значениях U си канал МОП-транзистора
эквивалентен линейному резистору.
Величина
b U зи U 0
– проводимость канала
Сопротивление канала:
1
Rси
b U зи U 0
Электротехника и электроника
62

63.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
Режим насыщения МОП-транзистора
U зи U 0
U си U нас U зи U 0
Ток стока
1
2
I с b U зи U 0
2
Электротехника и электроника
63

64.

МОП-транзистор с индуцированным каналом
Передаточная характеристика МОП-транзистора
U 0 – напряжение отсечки
Электротехника и электроника
64

65.

МОП-транзистор с встроенным каналом
Электротехника и электроника
65

66.

МОП-транзистор с встроенным каналом
Выходные характеристики
Ic, мА
Uзи = 1 В
Uзи = 0 В
Uзи = –0.5 В
Uзи = –1 В
Uзи = –2 В
Ucи, В
Электротехника и электроника
66

67.

МОП-транзистор с встроенным каналом
Передаточная характеристика
Iс
Iс нач
Uотс
Электротехника и электроника
Uзи
67

68.

Модели МОП-транзисторов
Квадратиная модель МОП-транзистора
Uзи
Ic = f(Uзи)
Ucи
1
2
I с b U зи U 0
2
Электротехника и электроника
68

69.

Модели МОП-транзисторов
Квадратичная модель МОП-транзистора
Q
gm 2bIс
Электротехника и электроника
или
2Iс
gm
U зи U 0
69

70.

Усилитель на полевом транзисторе
с управляющим p–n-переходом
Электротехника и электроника
70

71.

Усилитель на МОП-транзисторе
с индуцированным каналом
Электротехника и электроника
71

72.

Усилитель на МОП-транзисторе
с индуцированным каналом
Схема замещения для режима малого сигнала
Rг
uвх
R12
Выходное напряжение
uзи
gmuзи
Rc||Rн
uвых
uвых g m Rс Rн uвх
Коэффициент усиления переменной составляющей
напряжения
KU g m Rс Rн
Электротехника и электроника
72

73.

Усилители
Классификация усилителей
1.По диапазону усиливаемых частот – усилители
низких частот (УНЧ), усилители постоянного тока (УПТ),
усилители высоких частот (УВЧ), избирательные
усилители.
2.По функциональному назначению – усилители
напряжения, тока, мощности.
3.По характеру усиливаемого сигнала – усилители
непрерывных и импульсных сигналов.
Электротехника и электроника
73

74.

Усилители
Структура усилительного устройства
Электротехника и электроника
74

75.

Усилители
Параметры усилителей
Основной количественный параметр – коэффициент
усиления
(коэффициент передачи).
•Коэффициент усиления напряжения
•Коэффициент усиления тока
U
K
U
вых
U
вх
I
K
I
вых
I
вх
•Коэффициент усиления мощности
P
K
K K
P
вых
P
U
I
вх
Электротехника и электроника
75

76.

Усилители
Коэффициент передачи усилителя – комплексная
функция частоты:
K K e
j
Зависимость модуля коэффициента усиления от
частоты называют амплитудно-частотной
характеристикой (АЧХ).
зависимость аргумента коэффициента усиления от
частоты – фазочастотная характеристика (ФЧХ).
Электротехника и электроника
76

77.

Усилители
Примерный вид амплитудно-частотной
характеристики усилителя
K(f)
K0
0,7K0
f01
f02
f
Полоса пропускания ограничена частотами среза
01 и 02
На частотах среза коэффициент усиления напряжения
составляет K0 2 0,707 K0 , а коэффициент усиления
мощности равен 0.5K 0 .
Электротехника и электроника
77

78.

Усилители
Логарифмические частотные характеристики
Коэффициент усиления удобно измерять в
логарифмических единицах – децибелах:
KU дБ 20 lg KU
K I дБ 20 lg K I
K P дБ 10 lg K P
Если АЧХ усилителя построена в логарифмическом
масштабе, ее называют логарифмической
амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ или
ЛАХ).
Электротехника и электроника
78

79.

Обратные связи в усилителях
Обратной связью называют процесс передачи сигнала
из выходной цепи во входную.
Цепь, обеспечивающую эту передачу, называют цепью
обратной связи.
Петля, или контур обратной связи, состоит из прямого
пути, образуемого активным элементом, и обратного
пути, образуемого цепью обратной связи.
Электротехника и электроника
79

80.

Обратные связи в усилителях
Пример: усилитель, охваченный цепью обратной связи
U
U
U
R
U
R
Цепь обратной связи – делитель напряжения,
образованный резисторами R1 , R 2 .
Электротехника и электроника
80

81.

Обратные связи в усилителях
Выходное напряжение усилителя:
U
вых
KU .
d
Напряжение обратной связи
R
U
U
R R
1
ос
1
вых
U
вых
2
R1
– коэффициент передачи цепи обратной
R1 R2
связи.
Напряжение на входе усилителя
1
U U U
U
1 K
d
Электротехника и электроника
вх
ос
вх
81

82.

Обратные связи в усилителях
Выходное напряжение
U
вых
K
1 K
U
вх
Коэффициент передачи усилителя, охваченного
обратной связью,
U
K
K
U
1 K
вых
ос
вх
Произведение K – коэффициент петлевого усиления,
Величина 1 K – глубина обратной связи
Электротехника и электроника
82

83.

Дифференциальные усилители
Дифференциальный усилитель (ДУ) – симметричная
схема с двумя входами и двумя выходами
U
U
U
U
Электротехника и электроника
U
83

84.

Дифференциальные усилители
Сигналы на входе дифференциального усилителя
представляют в виде суммы дифференциальной и
синфазной составляющих:
U U U 2
U вх 2 U сф U д 2
вх 1
сф
д
Дифференциальный сигнал равен разности входных
напряжений:
,
U U U
д
вх 1
вх 2
а синфазный – их полусумме:
U U
U
2
вх 1
вх 2
сф
Электротехника и электроника
84

85.

Дифференциальные усилители
Источник сигнала на входе дифференциального
усилителя можно представить эквивалентной схемой,
показанной на рисунке
Электротехника и электроника
85

86.

Дифференциальные усилители
Коэффициент усиления дифференциального сигнала
u
К
u
вых
д
д
Коэффициент усиления синфазного сигнала
u
К
u
вых
сф
сф
Коэффициент ослабления синфазного сигнала:
К
К
К
д
осс
сф
Электротехника и электроника
86

87.

Дифференциальный усилитель на биполярных
транзисторах
Электротехника и электроника
87

88.

Дифференциальный усилитель на биполярных
транзисторах
Коэффициенты усиления дифференциального сигнала
uвых 1
Rк
К д1 К д1
uд
2 R0 Rэ
Для симметричного выхода
Rк
Кд
R0 Rэ
88
Электротехника и электроника

89.

Дифференциальный усилитель на биполярных
транзисторах
Коэффициент усиления синфазного сигнала
К сф1 К сф 2
Rк
2R0
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
К осс
Кд
RJ
К сф Rэ rэ
89
Электротехника и электроника

90.

Инвертор на биполярном транзисторе
Резистор RБ служит для задания необходимого тока базы.
Резистор RK – внутренней нагрузкой инвертора.
Резистор RH – внешняя нагрузка.
При RH = – режим холостого хода.
RK = RH – предельная нагрузка.
90
Электротехника и электроника

91.

Инвертор на биполярном транзисторе
Передаточная характеристика инвертора
0
U
Напряжение логического нуля на входе вх 0.4 – 0.5 B
1
Напряжение логической единицы на входе U вх
1.5 В
91
Электротехника и электроника

92.

Инвертор на биполярном транзисторе
Переходные процессы в инверторе на биполярном
транзисторе определяются следующими причинами.
1. Наличием емкостей эмиттерного и коллекторного
переходов. При переключениях происходит заряд и разряд
этих емкостей.
2. Накоплением и рассасыванием неосновных
носителей в базе при переходе транзистора в режимы
насыщения и отсечки.
92
Электротехника и электроника

93.

Инвертор на биполярном транзисторе
Переходные процессы в транзисторе при действии на
входе прямоугольного импульса
uвх
t2
t1
iк
0,9 Iкн
Iкн
0,1 Iкн
uвых
Электротехника и электроника
93

94.

uвх
Инвертор на биполярном транзисторе
Переходные процессы в транзисторе при действии на
t2
t1
входе прямоугольного импульса
iк
0,9 Iкн
Iкн
0,1 Iкн
uвых
Ек
Uкн
tр
tз
tф
tвкл
Электротехника и электроника
tс
tвыкл
94

95.

Инвертор на биполярном транзисторе
Процесс переключения инвертора после подачи
входного импульса:
1. Задержка фронта.
2. Формирование фронта.
3. Накопление избыточного заряда в базе.
95
Электротехника и электроника

96.

Инвертор на биполярном транзисторе
Задержка фронта tз – это интервал времени между
моментом начала действия импульса и моментом, когда ток
коллектора достигает значения, равного 0.1Iкнас .
Задержка фронта обусловлена зарядом барьерной
емкости эмиттерного перехода.
Общее время включения tвкл складывается из времени
задержки и длительности фронта:
tвкл = tф + tз
96
Электротехника и электроника

97.

Инвертор на биполярном транзисторе
После окончания действия входного импульса
начинается рассасывание избыточного заряда в базе.
За счет этого коллекторный ток не меняется в течение
времени. Затем начинается спад коллекторного тока.
Одновременно растет напряжение коллектора.
Общая длительность выключения:
tвыкл = tр + tс
97
Электротехника и электроника

98.

КМОП-инвертор
Схема инвертора на комплементарной
(дополняющей) паре МОП-транзисторов
В схеме используются два МОП-транзистора с
индуцированными каналами n- и p-типов. Подложки обоих
транзисторов соединены с истоками
98
Электротехника и электроника

99.

КМОП-инвертор
1. Входное напряжение равно нулю.
Напряжение U зи1 0 , транзистор
VT2 находится в состоянии отсечки.
Напряжение затвора p-канального
транзистора VT1 U зи1 Ec .
Напряжение U си1 0 , VT1
находится в линейном режиме.
Итак, при U вх 0 выходное
напряжение U вых Ec .
99
Электротехника и электроника

100.

КМОП-инвертор
2. Входное напряжение U вх Ec
Транзистор VT1 находится в
режиме отсечки
VT2 находится линейном
режиме.
При U вх 0 выходное
напряжение U вых Ec .
100
Электротехника и электроника

101.

КМОП-инвертор
A: VT1 – лин. режим
VT2 – отсечка
B: VT1 – лин. режим
VT2 – насыщение
C: VT1 – насыщение
VT2 – насыщение
D: VT1 – насыщение
VT2 – лин. режим
E: VT1 – отсечка
VT2 – лин. режим
101
Электротехника и электроника

102.

КМОП-инвертор
Транзисторы в схеме инвертора рассчитывают так,
чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые
пороговые напряжения и удельные проводимости:
U 01 U 02
b1 b2 b
Этим обеспечивается симметричная передаточная
характеристика.
102
Электротехника и электроника

103.

КМОП-инвертор
p
Приповерхностная подвижность дырок
n .
меньше подвижности электронов
в 2–4 раза
Для согласования ширину канала транзистора VТ1
выбирают в 2–4 раза большей, чем у VТ2.
Длина каналов обоих транзисторов одинакова, а
ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство
n
Wn p
Wp
103
Электротехника и электроника

104.

КМОП-инвертор
Переходные процессы в МОП-инверторах
обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в
состав нагрузки.
Типичные значения суммарной емкости у инверторов,
использующих транзисторы с длиной канала менее 1 мкм,
не превышают 1 пФ.
Заряд емкости происходит через открытый транзистор
VT1, а разряд – через VT2.
Время переключения схемы из состояния логической
единицы в состояние логического нуля определяют с
помощью приближенного равенства
1.6Cн
t10
bEс
104
Электротехника и электроника

105.

КМОП-инвертор
Основные свойства КМОП-инвертора
1. В обоих состояниях инвертора один из транзисторов
заперт, поэтому ток в цепи между источником и землей
ничтожно мал, и в статическом режиме схема практически
не потребляет мощность от источника питания.
2. Динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемая
КМОП-инвертором при тактовой частоте f , определяются
формулой
Pd fCE 2
105
Электротехника и электроника

106.

КМОП-инвертор
3. Выходное напряжение равно нулю или напряжению питания и почти
не зависит от параметров транзисторов. Разность выходных напряжений
инвертора в закрытом и открытом состояниях максимальна (близка к
величине напряжения питания Е). Это обеспечивает высокую
помехоустойчивость схемы.
4. КМОП-инверторы обладают значительно большей нагрузочной
способностью, чем инверторы на биполярных транзисторах. Входное
сопротивление МОП-транзиистора бесконечно велико. Поэтому к его
выходу можно подключить большое число аналогичных инверторов. При
этом уровень выходного напряжения практически не изменится.
5. КМОП-инвертор является практически идеальным логическим
инвертором. Совершенствование технологии производства КМОПинтегральных схем привело к тому, что в настоящее время они стали
доминирующими при производстве цифровых интегральных схем.
106
Электротехника и электроника

107.

Базовые логические элементы
Простейший элемент ТТЛ
107
Электротехника и электроника

108.

Базовые логические элементы
Элемент ТТЛ со сложным инвертором
108
Электротехника и электроника

109.

Базовые логические элементы
Элемент ТТЛ с открытым коллектором
E+
к
R1
R
2
VT 1
U
U
VT 2
вх1
VT3
вх2
R
3
109
Электротехника и электроника

110.

Базовые логические элементы
Элемент КМОП-логики
110
Электротехника и электроника

111.

Базовые логические элементы
+Ec
+Ec
Rси1
Rси2
Rси3
Uвх1
Uвых
Uвх2
Uвх1
Uв
Uвх2
Rси4
111
Электротехника и электроника

112.

Основные параметры логических элементов
Наиболее важные параметры логических элементов:
-напряжение источника питания;
- уровни напряжений, соответствующие логическим нулю и
единице;
-помехоустойчивость;
-потребляемая мощность;
-нагрузочная способность;
- быстродействие.
112
Электротехника и электроника

113.

Основные параметры логических элементов
Напряжение источника питания зависит от типа ИМС.
У микросхем ТТЛ и ТТЛШ напряжение питания равно 5 В.
У элементов КМОП-логики напряжение питания зависит от
Lmin
минимальной длины канала транзистора
.
Lmin , мкм
0.8
0.5
0.25
0.18
Ec , В
5
3.3
2.5
1.8
113
Электротехника и электроника

114.

Основные параметры логических элементов
Напряжения логических нуля и единицы зависят от
типа микросхем.
Элементы ТТЛ:
0
0
0 .4 B ,
0.8 B , U вых
Напряжение логического нуля U вх
1
1
2 .4 B .
2 B , U вых
Напряжение логической единицы U вх
Выход КМОП-элемента представляет открытый полевой
транзистор, подключенный к земле либо к шине питания.
Поэтому высокий уровень выходного напряжения таких
элементов меньше напряжения питания на 10–20 мВ, а
низкий – близок к нулю.
114
Электротехника и электроника

115.

Основные параметры логических элементов
Помехоустойчивость.
Помехоустойчивость
в состоянии
логической единицы:
1
1
NM 1 U вых
U вх
Помехоустойчивость
в состоянии
логического нуля:
0
0
NM 0 U вх
U вых
115
Электротехника и электроника

116.

Основные параметры логических элементов
Потребляемая мощность равна сумме статической
РСТ и динамической РДИН составляющих.
Статическая составляющая определяется как среднее
арифметическое мощностей, потребляемых логическим
элементом в состояниях логических 0 и 1.
Динамическая составляющая РДИН пропорциональна
частоте f :
Pдин fCн U 2
Здесь СН – емкость нагрузки;
перепада:
U
U – величина логического
1
U вых
0
U вых
116
Электротехника и электроника

117.

Основные параметры логических элементов
Быстродействие
логического элемента
оценивают средним
временем задержки
распространения
сигнала t зад
t зад
t01 t10
2
U
вх
1
0,5
t
U
вых
1
0,5
t
10
t
t
01
117
Электротехника и электроника

118.

Основные параметры логических элементов
t01 – время задержки распространения при переключении из
состояния логического нуля в состояние логической
единицы;
t10 – время задержки распространения при переключении
из состояния логической единицы в состояние логического
нуля.
Для стандартных элементов ТТЛ среднее время
задержки распространения составляет около 10 нс.
У элементов ТТЛШ tзад = 3 нс.
Время задержки распространения КМОП-инвертора,
реализованного по технологии 0.25 мкм, не превышает 30
пс.
118
Электротехника и электроника

119.

Основные параметры логических элементов
Энергия переключения равна произведению
потребляемой мощности на среднее время задержки
распространения: DP Pпотр tзад .
Энергия переключения измеряется в пикоджоулях и
характеризует степень совершенства цифровых ИС.
Технология производства является тем более совершенной,
чем меньше величина DP.
119
Электротехника и электроника

120.

Основные параметры логических элементов
Нагрузочная способность цифровых ИС
характеризуется коэффициентом разветвления Кразв.
Коэффициент разветвления равен наибольшему
числу ИМС той же серии, которые можно подключить к
выходу рассматриваемой схемы, не нарушая ее
правильного функционирования.
Для элементов ТТЛ-логики Кразв = 10.
Коэффициент разветвления КМОП-элементов может
достигать 100 и более.
120
Электротехника и электроника

121.

,
Стандартные
параметры типовых элементов ТТЛ
,
,
.
1. ,Напряжение питания ТТЛ-элементов U пит 5 В .
.
2. Уровни напряжения на входе и выходе:
0
1
U вых
0.4 В , U вых
2.4 В,
1
0
2 В.
U вх
0.8 В , U вх
3. Помехоустойчивость:
1
1
NM 1 U вых
U вх
0.4 В ,
0
0
NM 0 U вх
U вых
0.4 В .
4. Потребляемая мощность инвертора 10 мВт.
5. Время задержки распространения tзад = 10 нс.
121
Электротехника и электроника

122.

,
,
,
.
ЦАП с взвешенными резисторами
,
.
Выходное напряжение пропорционально значению входного кода:
U вых
1
1
1
R0 a n 1 a n 2
a n 3
E0
R
2R
4R
122
Электротехника и электроника

123.

,
,
,
.
ЦАП с резистивной матрицей R-2R
.
,
.
U вых
R0
n a1 2n 1 a2 2n 2 an 20 E0
R2
123
Электротехника и электроника

124.

АЦП параллельного действия
,
,
,
.
.
,
Eоп
Х1
R
+
Х 2
R
+
Х3
Z
1
код о в
+
U вх
П р е о б р а з о в ат е л ь
.
R/2
Z
0
R/2
124
Электротехника и электроника

125.

,
,
,
.
АЦП последовательного действия
.
U,
. вх
+
Компаратор
Счетчик
ГТИ
1
N- разрядный
2
3
цифровой
N
код
ЦАП
125
Электротехника и электроника