Компоненты интегрированных систем

Лампа

Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спи­рали, который называется сеткой. Анод, сетка и катод присоединя­ются, как и у диода, к штырькам цоколя лампы.

По своему расположению сетка мешает или помогает электро­нам, вылетевшим с катода, достигнуть анода. Между сеткой и като­дом включается напряжение, которое называется сеточным напря­жением Uc.

Когда напряжение на сетке триода равно нулю, лампа работает как диод. Приложенное между сеткой и катодом напряжение Uс создает дополнительное электрическое поле, воз­действующее на летящие от катода к аноду электроны. Если это напряжение отрицательно, то вылетающие из катода электроны оказываются под действием притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заря­женной сетки. Если отрицательное напряжение на сетке мало, то ее отталкивающая сила, действующая на электроны, невелика, поэтому сравнительно большая часть электронов пролетает через сетку к аноду.

Однако с увеличением отрицательного напряжения на сетке от­талкивающая сила электрического поля, действующая на электроны, возрастает. Вследствие этого сквозь сетку к аноду пролетает меньшее число электронов и анодный ток уменьшается. Роль отри­цательно заряженной сетки подобна роли регулируемого сопротивления в электрической цепи.

При некотором значении отрицательного напряжения на сетка величина ее отталкивающей силы становится настолько большой,

что ни один электрон не в состоянии пролететь сквозь сетку к ано­ду; анодный ток становится равным нулю. В этих условиях лампа «заперта» (рис. 181, б).

Если к сетке приложить не отрицательное, а положительное напряжение (рис. 181, в), то на электроны будут действовать две оди­наково направленные силы: электрического поля анода и положи­тельного заряда сетки. Большая часть электронов, пролетевших сквозь сетку, достигнет анода, но значительная часть их притянется на сетку и образует сеточный ток. Этот ток весьма нежелателен, так как он вызывает вредный нагрев сетки и уменьшает силу анод­ного тока. По этим причинам в большинстве электронных устройств во время работы триода потенциал сетки должен оставаться отри­цательным.

Сетка находится ближе к катоду, чем анод; поэтому изменение напряжения на ней значительно сильнее влияет на величину анод­ного тока, чем такое же изменение напряжения на аноде. Это позво­ляет путем небольшого изменения сеточного напряжения Uc значи­тельно изменять силу анодного тока.

Таким образом, посредством изменения напряжения, подавае­мого на сетку, можно управлять силой тока в анодной цепи лампы. Поэтому сетку называют управляющей.

Из сказанного следует, что триод изменяет свое сопротивление в зависимости от величины (и знака) напряжения, подаваемого на сетку. Это значит, что трехэлектродная лампа может служить безынерционным регулируемым сопротивлением.

Пентод - самая удачная попытка избавиться от динатронного эффекта, присущего тетродам. В этом случае между анодом и экранирующей сеткой помещается ещё одна сетка, третья по счёту, потенциал которой делается достаточно низким (она соединяется с корпусом прибора или с катодом лампы). Вокруг этой сетки, называемой антидинатронной, или обычно защитной, создаётся область пониженного потенциала. Вследствие этого вторичные электроны на экранирующую сетку не попадают и динатронный эффект ликвидируется. Такая лампа, имеющая пять электродов (анод, катод и три сетки), называется пентодом.

Пентод является наиболее универсальной лампой, обладающей хорошими параметрами и работающей на различных частотах. Крутизна характеристики у этих ламп достигает весьма приличных величин (единицы мА/В - для маломощных ламп и десятки мА/В - для более мощных и ламп специального назначения). Статический коэффициент усиления также велик (1-3 тысячи). Внутреннее сопротивление у них велико и исчисляется сотнями КОм (500-800 и более).

 

2. Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов

Пример/Задача:

Дано: схема, U1 = 10 B, U2 = 13 B, U3 = 15 В, U4 = 22 B, R1 = R2 =1 кОм. Определить Uвых

Решение:

При U1 = U2 = U3 = 0 диоды закрыты и напряжение Uвых = U4•R2 / (R1 + R2) = 11 В. Если подключим U1, Uвых не изменится – диоды закрыты. При подключении U2 напряжение Uвых станет равным 13 В (диод в ветви с U2 будет открыт). При подключении U3 откроется диод в этой ветви, напряжение Uвых станет равным 15 В. Остальные диоды закроются.

 

3. Стабилитрон — это диод, предназначенный для стабилизации напряжения. На диод подается через резистор запирающее напряжение, которое превышает напряжение пробоя диода. При этом через диод протекает ток, и избыток напряжения падает на резисторе

Пример/Задача:

Кремниевый стабилитрон имеет напряжение стабилизации = 9,1 В, средний ток стабилизации = 30 мА. Каким должно быть дифференциальное сопротивление стабилитрона, чтобы при изменении напряжения на 1% ток через стабилитрон изменился в 1,5 раза?

Решение:

Дифференциальное сопротивление в окрестности рабочей точки определяется по отношению приращений:

Считая рабочий участок ВАХ стабилитрона линейным в области электрического пробоя, находим только по положительным приращениям:

Ом.

 

4. Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностьюпри относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении.

Пример/Задача:

Первый закон коммутации гласит: ток, протекающий в катушке индуктивности, в момент коммутации не может измениться скачком. Это понятно из формулы:

Предположим, что ток iL изменился скачком, то есть:

А значит, что и напряжение в данном случае будет бесконечно велико:

Чего в природе быть не может, так как, следуя закону сохранения энергии, для этого бы потребовался источник энергии бесконечной мощности.

На схеме представлена RL – цепь, запитанная от источника постоянного тока. При замыкании ключа в положение 1, ток протекает по цепи “плюс” источника – резистор R – катушка индуктивности - “минус” источника. Тем самым, происходит накопление энергии магнитного поля в катушке индуктивности.

Напряжение и ток, протекающие в данной цепи, изменяются по экспоненциальному закону. Причем, их изменения взаимообратные, т.е. с увеличением тока, падение напряжения на катушке уменьшается.

Если мы переведем ключ в положение 2, то ток, не изменив своего направления, начнет уменьшаться по экспоненте до нуля. С физической точки зрения, в данном случае катушка отдает накопленную энергию магнитного поля в цепь, где она расходуется на тепловые потери в резисторе.

Одной из характеристик данной цепи является постоянная времени τ. Она зависит от величины индуктивности и активного сопротивления. Примерно за 5 τ ток в цепи достигает своего минимума или максимума.

Реализуем эту схему в программной среде Multisim 13.0, взяв значения R = 10 Ом, L = 0,1 Гн.

Рассчитаем время, за которое ток в цепи достигает установившегося значения:

Собранная схема запитана от батареи 12 В. Для снятия значений тока, использовался инструмент “current probe”. Внутреннее активное сопротивление катушки индуктивности, принято равным нулю.

5. Резистор или сопротивление — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения.

Пример/Задача:

Под со­еди­не­ни­ем про­вод­ни­ков под­ра­зу­ме­ва­ет­ся со­еди­не­ние ре­зи­сто­ров – при­бо­ров, сде­лан­ных на ос­но­ве со­про­тив­ле­ния про­вод­ни­ков. Если про­вод­ни­ки со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, то сила тока в них оди­на­ко­ва и равна силе тока в цепи. При этом общее на­пря­же­ние в цепи будет со­сто­ять из суммы на­пря­же­ний на каж­дом про­вод­ни­ке. А если го­во­рить о со­про­тив­ле­нии этого участ­ка цепи, в ко­то­ром про­вод­ни­ки со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, то оно равно сумме со­про­тив­ле­ний про­вод­ни­ков.

В па­рал­лель­ном со­еди­не­нии все по-дру­го­му. Сила тока в каж­дой ветке этой цепи будет раз­лич­ной, при этом общая сила тока в цепи будет вы­чис­лять­ся как сумма сил токов в про­вод­ни­ках. На­пря­же­ние на про­вод­ни­ках, со­еди­нен­ных по­сле­до­ва­тель­но, будет оди­на­ко­вым. Общее со­про­тив­ле­ние этого участ­ка цепи, так на­зы­ва­е­мое «эк­ви­ва­лент­ное со­про­тив­ле­ние» R, будет вы­чис­лять­ся по сле­ду­ю­щей фор­му­ле: .

6. Конденсатор - устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Пример/Задача:

Определить заряд и энергию каждого конденсата в схеме. Данные схемы: С1 = 6 мкФ; с2 = 2 мкФ; С3 = 3 мкФ; r1 = 500 Om; r2 = 400 Om; U = 45 B.

Решение:

Через сопротивление протекает ток I = Ur1+r2= 0/05A

Задавшись полярностью зарядов на обкладках конденсаторов, составим систему уравнений:

-Q1+Q2+Q3=0; U=UC1=UC2=Q1C1=Q1C2; I*r1=UC1+UC3=Q1C1+Q3C3.

Или

Q1=Q2+Q3; 45=Q1*6*10-6+Q2*2*10-6; 25+Q1*6*10-6+Q3*3*10-6

Решив эту систему уравнений, найдем, что:

Q1 = 90 мкКл; Q2 = 60 мкКл; Q3 = 30 мкКл.

 

7. Полевой транзистор – этоэлектропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

 

 

Пример/Задача:

Найти пороговое напряжение Vt n-канального МОП транзистора с алюминиевым затвором, если уровень легирования подложки равен Nd=1015 см-3, толщина диэлектрика dox=100 нм, заряд в окисле Qox= +10-8 КлЧсм-2, поверхностные состояния отсутствуют.

Решение:

Как и ранее, рассчитаем j0=0.29 эВ, высоту потенциального барьера jk= 4.05 + 0.56 + 0.29 – 4.1= 0.8 эВ, емкость подзатворного диэлектрика Cox= 3.38Ч10–8 Ф/см2. Пороговое напряжение Vt

 

Vt=0.8 + 0.58 + 0.42 – 0.29= 1.51 В

 

8 Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Несмотря на широкое применение цифровой обработки информации, аналоговые микросхемы используются как самостоятельно, так и в сочетании с цифровыми микросхемами. К аналоговым микросхемам относятся усилители, стабилизаторы напряжения и тока, специализированные микросхемы для радиоприемных и телевизионных устройств, аналоговые перемножители сигналов, компараторы, аналоговые ключи и коммутаторы, а также микросхемы для цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования информации.

Пример/Задача:

Дифференциальный усилитель (ДУ) является основным узлом важнейшего элемента аналоговой интегральной электроники – операционного усилителя (ОУ). Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным – разность базовых потенциалов.

В общую эмиттерную цепь включен источник тока I0 (генератор тока). Он обеспечивает постоянство суммы Iэ1 + Iэ2 = I0 = const и стабильность рабочей точки токов Iэ0 и напряжений Uк0.

В основу ДУ положена идеальная симметрия его плеч, т. е. идентичность параметров транзисторов Т1, Т2 и равенство сопротивлений Rк1, Rк2. При этом в отсутствии сигнала токи через транзисторы и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю. Нулевое значение Uвых так же сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах. Таким образом в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим.

Подадим на базы транзисторов одинаковые по величине и совпадающие по фазе напряжения Uб1 = Uб2 (синфазные сигналы). Если источник тока I0 идеальный (т. е. Ri = Ґ), то токи в обоих ветвях и коллекторные потенциалы останутся неизменными и выходное напряжение Uвых останется равным нулю. Если Ri № Ґ, то появится приращение тока D I0, но оно распределится поровну между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково и сохранится Uвых = 0.

Если подать на базы напряжения равной величины, но противоположных знаков (Uб1 и Uб2 = – Uб1), т. е. дифференциальные сигналы, то их разность по определению будет входным сигналом ДУ:

Uвх = Uб1 – Uб2.

Вследствие этого приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение

Uвых = Uк1 – Uк2.

Следовательно идеальный ДУ реагирует только на дифференциальный или разностный сигнал, отсюда вытекает название этого типа усилителей.

9. Цифровая интегральная микросхема - ИМС, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Одним из видов цифровых ИМС является логическая ИМС.

Пример/Задача:

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

· Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном(резистивном) состоянии.

· Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого(например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

· Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

10. Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG, температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Пример/Задача:

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG, температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS. Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

11. Симисторы – это вид тиристоров, которые являются аналогами кремниевых выпрямителей в корпусе. Но, в отличие от тиристоров, которые являются однонаправленными приборами, т. е. передают ток только в одном направлении, триаки – двухсторонние. С их помощью можно передавать ток в обоих направлениях. Они имеют пять слоев тиристора, которые оснащены электродами. При первом взгляде, отечественные симисторы напоминают структуру р-n-р, но у них несколько областей с проводимостью n-типа. Последняя область, которая расположена после этого слоя, имеет прямую связь с электродом, что обеспечивает высокую проводимость сигнала. Иногда их также сравнивают с выпрямителями, но при этом стоит помнить, что диоды передают электрический сигнал только в одну сторону.

Симистор считается идеальным устройством для использования в коммутационных сетях, так как он может контролировать ток идет через обе половины переменного цикла. Тиристор же контролирует только полуцикл, при этом вторая половина сигнала не используется. Благодаря такой особенности работы, триак отлично передает сигналы любых электрических приборов, часто применяется симистор вместо реле. Но при этом симистор редко используется в сложных электрических приборах, таких как трансформаторы, ЭВМ и т. д.

Принцип работы симистора очень похож на тиристор, но его проще понять исходя из работы тринисторного аналога того компонента электрических сетей. Обратите внимание, четвертый полупроводниковый компонент разделен, что позволяет выполнять следующие функции:

1. Контролировать работы катода и анода;

2. При необходимости менять их местами, что позволяет изменять полюсность работы.

При этом работу прибора можно расценивать как сочетание двух встречно-направленных тиристоров, но работающих в полном цикле, т. е. не обрывающих сигналы. Маркировка на схеме соответствующая двум соединенным тиристорам:

Согласно чертежу, на электрод, который является управляющим, передает сигнал, позволяющий открыть контакт детали. В момент, когда на аноде положительное напряжение, соответственно на катоде отрицательное – электроток начнет протекать через тринистор, который на схеме с левой стороны. Исходя из этого, если полностью изменить полярность, что поменяет местами заряды катода и анода, ток, передающийся через контакты пойдет через правый тринистор.

Здесь последний слой на симисторе отвечает за полярность напряжения. Он контролирует напряженность на контактах и сравнивая её, переправляет ток на определенный тринистор. Прямопорционально этому, если сигнал не подается – то все тринисторы закрыты и устройство не работает, т. е. не передает никакие импульсы.

Если сигнал есть, существует подключение к сети и ток куда-то должен течь, то симистор в любом случае его проводит полярность направления в этом случае диктуется зарядом и полярностью полюсов, катодом и анодом.

Пример/Задача:

Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока. По сути это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно.

Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО. Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).

Теперь рассмотрим структуру полупроводника. Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.

Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене – р1-n2-p2-n3.