double arrow

Полупроводниковый диод. Основные параметры и характеристики полупроводниковых диодов. Их разновидности. Области применения

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Диод (от др.-греч. δις — два и -од означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

Ток в цепи анода лампы зависит от температуры накала нити, т. е. от количества электронов, вылетающих из катода в единицу времени, а также от напряжения на аноде. Если положительное напряжение на аноде мало, то он притягивает небольшое количество электронов и ток в анодной цепи имеет малое значение. С повышением напряжения на аноде ток в цепи увеличивается.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а) и его графическое обозначение (б)

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами.

В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

Диодом называют электронный прибор с резко выраженной односторонней проводимость электрического тока: он хорошо пропускает через себя ток в одном направлении и очень плохо — в другом. Это основное свойство диода будет, в частности, использоваться для преобразования переменного тока электроосветительной сети в ток постоянный, необходимый для питания устройств электронной автоматики. Схематическое устройство и условное графическое обозначение полупроводникового диода показаны на рисунке.

Он представляет собой небольшую пластинку германия или кремния, одна область (часть объема) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть «дырочной», другая — электропроводимостью n-типа, то есть электронной. Границу между ними называют p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах positiv — «положительный», и negativ — «отрицательный». Область p-типа исходного полупроводника такого прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Принцип работы диода иллюстрируют схемы, приведенные на рисунке.

Если к диоду VD через лампу накаливания HL подключить батарею GB так, чтобы вывод положительного полюса батареи был соединен с анодом, а вывод отрицательного полюса с катодом диода (рис а), тогда в образовавшейся электрической цепи появится ток, о чем будет сигнализировать загоревшаяся лампа HL. Максимальное значение этого тока зависит от сопротивления p-n перехода диода и поднного на него постоянного напряжения. Такое состояние диода называют открытым, ток, текущий через него, — прямым током I пр, а поданное на него напряжение, благодаря которому диод оказался в открытом состоянии,— прямым напряжением Uпр.

Если полюсы батареи GB поменять местами, как показано на рис. б, то лампа HL не загорится, так как в этом случае диод находится в закрытом состоянии и оказывает току в цепи большое сопротивление. Небольшой ток через p-n переход диода в обратном направлении все же пойдет, но по сравнению с прямым током будет столь незначительным, что нить накала лампы даже не среагирует. Такой ток называют обратым током I обр, а напряжение, создающее его, — обратным напряжением U обр.

Основные характеристики и параметры диодов:

- Диапазон частот диода;

- Пробивное напряжение.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

- постоянный обратный ток диода (Iобр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

- постоянное обратное напряжение диода (Uобр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

- постоянный прямой ток диода (Iпр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

- постоянное прямое напряжение диода (Uпр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

- максимально допустимая рассеиваемая мощность (Рmах);

- максимально допустимый постоянный прямой ток (Iпр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение (Uобр. mах);

- дифференциальное сопротивление (rдиф);

- минимальная (Тмин) и максимальная (Тmах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Рmах) определяется тепловым сопротивлением диода (Rт), допустимой температурой перехода (Тп mах) и температурой окружающей среды (То) в соответствии с соотношением:

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

Обратное максимально допустимое напряжение (Uобр. mах) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт.

Оно ограничивается пробивным напряжением:

Uобр max ? 0,8 Uпроб.

Дифференциальное сопротивление (rдиф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

Сопротивление rдиф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Тмин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Тмакс = +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Как видно на графике, ток в лампе при увеличении напряжения на аноде возрастает при некотором положительном напряжении на аноде ток в его цепи достигает наибольшей величины. Дальнейшее повышение напряжения на аноде не вызывает роста тока. Эта наибольшая величина тока в лампе называется током насыщения.

В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:
а) вольт-амперная характеристика; б) конструкция корпуса

(4.1)

Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 1.5). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе (рис.1.5, кривая 1 и 2). Такой пробой называется электрическим. Он может быть туннельным – кривая 2 или лавинным – кривая 1. Либо пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, необеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 1.5, кривая 3).

Такой пробой называется тепловым пробоем. Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения Uо6р mах. Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5 - 0,8) Uпроб .

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода Сд , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С6 , диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора Ск (рис.1.6).

Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода.

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной емкостью.

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

- обратный ток при некоторой величине обратного напряжения I обр, мкА;

- падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод Uпр, в;

- емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

- диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока fгр, кГц;

Диоды разных типов отличаются своими параметрами и характеристиками. К основным параметрам диода относятся: напряжение накала Uн ток накала Iн, ток эмиссии Iэ, анодное напряжение Uа. Кроме того, диоды различаются по крутизне их характеристики. Чем быстрее нарастает анодный ток диода при увеличении анодного напряжения, тем больше крутизна характеристики диода. Крутизну обозначают S она показывает, на сколько миллиампер увеличивается сила анодного тока диода при повышении анодного напряжения на 1 в:

где ?Ia— изменение силы анодного тока,

?Ua — изменение анодного напряжения.

Так, если крутизна диода S —3 ма/в, то это значит, что при увеличении анодного напряжения на 1 в сила анодного тока возрастет на 3 ма.

К параметрам, которыми характеризуется диод, относится также величина его внутреннего сопротивления переменному току. Внутреннее сопротивление диода не постоянно, а зависит от величины и полярности анодного напряжения, приложенного к диоду. Например, когда к аноду приложено отрицательное напряжение, его внутреннее сопротивление практически бесконечно велико и ток через диод не проходит.

Наименьшим внутренним сопротивлением диод обладает в пределах средней прямолинейной части Характеристики, где крутизна имеет наибольшее значение. В нижней части характеристики и в верхней части внутреннее сопротивление лампы увеличивается.

Внутреннее сопротивление лампы обозначается Я;. Оно равна отношению изменения анодного напряжения (Ua) к соответствующему изменению анодного тока:

Весьма важным параметром, характеризующим каждую лампу, является величина допустимой мощности рассеяния на аноде. Электроны под влиянием напряжения, приложенного к аноду, развивают большую скорость и поэтому со значительной силой ударяются в него. При этом анод, нагреваясь, может раскалиться и даже расплавиться. Чем больше анодное напряжение, тем больше скорость электронов. Чем больше ток, проходящий через диод, тем большее число электронов одновременно ударяет в анод. Поэтому количество тепла, выделяемого на аноде, зависит от анодного напряжения и анодного тока. Произведение этих двух величин равно мощности рассеяния на аноде:

Выделение тепла на аноде — бесполезная, но неизбежная потеря мощности. При очень сильном нагревании анода лампа выходит из строя. Ввиду этого мощность рассеяния не должна превышать некоторую допустимую для данного типа лампы величину.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения.

Обозначение диодов состоит из шести символов:

- первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;

К или 2 – кремний;

А или 3 – соединения галлия;

- второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

А – сверхвысокочастотный ; Б – с объёмным эффектом Ганна; В – варикапы; Г – генераторы шума; Д – выпрямительные, универсальные, импульсные; И – туннельные и обращенные; К – стабилизаторы тока; Л – излучающие; Н – динисторы; С – стабилитроны стабисторы; У – тиристоры; Ц – выпрямительные столбы и блоки;

- третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).

- четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

- шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:

Г, или 1 – германий или его соединения; К, или 2 – кремний или его соединения; А, или 3 – соединения галлия; И, или 4 – соединения индия.

Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:

Д – диоды выпрямительные и импульсные; Ц – выпрямительные столбы и блоки; В – варикапы; И – туннельные диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; С – стабилитроны; Г – генераторы шума; Л – излучающие оптоэлектронные приборы; О – оптопары.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

- выпрямительные; стабилитроны; варикапы; туннельные; импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

- германиевые; кремниевые; из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

- сплавные; диффузионные; планарные;

по частотному диапазону:

- низкочастотные; высокочастотные; СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

- плоскостные; точечные.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр,то происходит лавинный пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б).

Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробояр-n-перехода.

Основные параметры стабилитрона:

- номинальное напряжение стабилизации Uст ном — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

- минимальный ток стабилизации Iст.min — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

- максимально допустимый ток стабилизации Iст.maxнаибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление гст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: гст DUст/DIст.

К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимый импульсный ток Iпр.и max , максимально допустимую рассеиваемую мощностьР max .

(ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от шириныр-n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.

Рис. 1.8 Вольтамперная характеристика (а) и схема включения стабилитрона (б)

В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы.

Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р-n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p-n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

К основным параметрам варикапа относят:

1. Общая емкость варикапа Св – емкость, измеренная при определенном обратном напряжении (измеряется при U = 5В и составляет десятки – сотни рФ);

2. Коэффициент перекрытия по емкости Кп = Св maxв min — отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (Кп = 5-8 раз);

3. Добротность варикапа Q = Хс/rп где Xc – реактивное сопротивление варикапа; rп – сопротивление активных потерь;

4. Iобр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Варикапы находят широкое применение для электронной подстройки резонансной частоты колебательных контуров. Изменяя напряжение на варикапе, подключенном к колебательному контуру, можно обеспечить дистанционное и безынерционнное управление резонансной частотой контура. Так, например, для получения необходимых значений промежуточных частот в гетеродине телевизионного приемника должно предусматриваться плавное изменение частоты.

В телевизорах старых типов эта настройка ручной регулировкой емкости конденсатора, входящего в колебательный контур гетеродина, а в современных телевизорах это делается с помощью варикапа, включаемого в колебательный контур гетеродина. При изменении подводимого к варикапу напряжения изменяется его емкость, а, следовательно, и частота гетеродина. Изменение напряжения на варикапе может осуществляться или вручную (потенциометром) или с помощью системы автоматической подстройки частоты гетеродина.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2-10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8-1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р-n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р-n-переход. Кремниевый р-n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р-n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср < 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср < 10 А) и большой (Iпp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n-перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение Uпр..ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах (Uобр. и mах) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток Iвп. ср mах — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота fтах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

Рис.5

На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение,

e(t) = Еm sin w t,

то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе RН падение напряжения Uвых , повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (-) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, Uвых = 0. Таким образом, через диод и RН протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе RН пульсирующее выпрямленное напряжение Uвых .

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U ср (за полупериод):

Ucp = Umax / p =0,318 Umax

Таким образом, U ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б.

В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер.

Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля.

Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым.

Диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц = 1109 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение – сотни вольт.

Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода», а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. Отсюда и название – обращенный диод.

Условное графическое обозначение обращенного диода представлено на рис. 2.5,д.

Рассмотрим для примера вольт-амперные характеристики германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 2.9), предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах (постоянный прямой ток – не более 0,3 мА, постоянный обратный ток – не более 4 мА (при ), общая емкость в точке минимума вольт-амперной характеристики 1,2…1,5 пФ).

Как видно из графика (рис. 2.9), обе ветви вольт-амперной характеристики практически симметричны (в зеркальном отражении) относительно начала координат. Участок отрицательного дифференциального сопротивления размещен на участке положительного напряжения между 0,1 и 0,3 В. При этом амплитуда тока на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением не превышает 0,05 мА.

Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика обращенного диода

Построить схему синхронного одноступенческого RS-тригера на элементах И-НЕ. Составить таблицу переключений. Используя одноступенчатые синронные RS-триггеры, начертить схему двухступенчатого RS-триггера. Пояснить различие в работе.

Каждая из систем классификации характеризует триггеры по разным показателям и поэтому дополняет одна другую. К примеру, триггеры RS-типа могут быть в синхронном и асинхронном исполнении.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах составляющих данный триггер.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С.

Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).

Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход). Также встречается название «триггер управляемый фронтом».

Одноступенчатые триггеры (latch, защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер на УГО обозначают одной буквой - Т.

Двухступенчатые триггеры (flip-flop, шлёпающие) делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая ступень заблокирована для записи).

При другом уровне этого сигнала происходит копирование состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи), выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временных гонок. Двухступенчатый триггер на УГО обозначают двумя буквами - ТТ.

Триггеры со сложной логикой бывают также одно- и двухступенчатые. В этих триггерах наряду с синхронными сигналами присутствуют и асинхронные. Такой триггер изображён на рис. 1, верхний (S) и нижний (R) входные сигналы являются асинхронными.

Рис. 2.39. Синхронные RS-триггеры: синхронный RS-триггер на элементах И-НЕ и условное обозначение;

Таблица 2.21. Состояния триггера
Входы Выходы
S R C Qn+1 /Qn+1
      Qn /Qn
         
         
      X

Синхронный двухступенчатый RS-триггер (master-slave, что переводится «мастер-помощник») состоит из двух синхронных RS-триггеров и инвертора, рис. 2.41, а. Входы С обоих триггеров соединены между собой через инвертор DD1.1. Если C = 1, то первый триггер функционирует согласно сигналам на его входах S и R. Второй триггер функционировать не-может, т. к, у него C = 0. Если C = 0, то первый триггер не функционирует, а для второго триггера C = 1, и он изменяет свое состояние согласно сигналам на выходах первого триггера.

Рис. 2.41. Синхронный двухступенчатый RS-триггер: a - схема триггера на логических элементах И-НЕ; б - условное обозначение и временные диаграммы тактового импульса.

Принципы разделения каналов в методах многостанционного доступа с частотным и временным разделением (МДЧР и МДВР), их особенности и области применения. Понятия по построению кадров для БС и АС при МДВР.

Множественный доступ характерен для спутниковых каналов, радиоканалов, каналов мобильной связи.

1. Технология FDMA (Frequency Division Multiple Access) осуществляет манипуляцию только одним параметром информационного сигнала — частотой. Каждому каналу выделяется своя достаточно узкая полоса (20-25 КГц) в спектре частот. Между этими полосами существуют ещё дополнительные частотные интервалы — защитные, уменьшающие взаимовлияние одних каналов на другие. Разнос между приёмом и передачей выполняется также по частоте - FDD (Frequency Division Duplex). Технология FDMA/FDD лежит в основе аналоговых стандартов сотовой связи, например NMT-450 и С-450.щб

Недостатками такого метода разделения каналов являются:

  • узкополосность информационного канала, а значит и чувствительность его к селективным замираниям (низкая помехоустойчивость);
  • нерациональное использование участков спектра (диапазона) частот — сложности в использовании одних и тех же участков спектра на одной территории.

К достоинствам можно отнести следующие:

  • относительная простота реализации;
  • высокое качество в низкочастотной части разговорного тракта по такому параметру как тембральный окрас речи (влияет на узнаваемость говорящего). При отсутствии значительных помех оно близко к качеству в каналах проводной телефонии.

2. Технология TDMA (Time Division Multiple Access) манипулирует уже двумя параметрами информационного сигнала — частотой и временем. В данном случае каждому каналу назначается более широкая (относительно FDMA) полоса частот (до 200 кГц), которая в свою очередь разбивается на логические каналы (разнесённые по времени). Разнос между приёмом и передачей может выполняться как по частоте — FDD (Frequency Division Duplex), так и по времени TDD (Time Division Duplex). Технология TDMA/FDD используется в цифровых стандартах сотовой связи, например GSM-900/1800 и D-AMPS. А технология TDMA/TDD лежит в основе стандарта DECT — цифровой беспроводной телефонии.

К достоинствам этого метода можно отнести следующие:

  • более высокая помехозащищённость (в сравнении с FDMA), достигнутая благодаря оцифровке информационного сигнала;
  • возможность повторного использования одних и тех же полос частот на одной территории — более высокий коэффициент повторного использования.

Недостатками являются:

  • сохраняющаяся узкополосность (относительная), и как следствие — подверженность селективным замираниям, что проявляется в виде «кваканья» и «бульканья» (выпадения полезного сигнала) в низкочастотной части разговорного тракта;
  • малоэффективное использование спектра частот — сохранение процедуры частотного планирования.

Доступ с частотным разделением каналов (МДЧР) МДЧР является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так и цифровых ССС. При МДЧР каждая ЗС передает свои сигналы в отведенном ей участке полосы пропускания ретранслятора. Основной недостаток МДЧР - уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью снижения на 4-6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. Кроме того, необходимо обеспечить высокую стабильность частоты и мощности сигнала, излучаемого каждой ЗС.

В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи "один канал на несущей" (ОКН). Метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Основное преимущество метода состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию. Метод МДЧР широко используется в ССС "Интерспутник", intelsat, национальных ССС многих стран. Данный метод сложно использовать для подключения большого числа компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ.

Доступ с временным разделением (МДВР) Метод МДВР нашел применение в связи с реализацией цифровых методов передачи. При этом методе каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытие их не происходит. В каждый момент времени через ретранслятор проходит сигнал только одной станции и отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе ретранслятора.

Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи и с помощью аппаратуры уплотнения каналов осуществляется организация передачи через главные ЗС. Применяется для подключения большого числа автономных компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ с непосредственной связью со спутниковой станцией требуются значительные затраты при ограниченных возможностях по числу ЗС.

Кадр МДВР состоит из четырех субкадров (окон). Мультикадр содержит 18 кадров, гиперкадр -50 мультикадров. Длительность кадра 53.37 мс, мультикадра - 1,02 с. В каждом частотном канале организованы четыре физических канала при частотном разносе между каналами 25 кГц или два канала при частотном разносе 12,5 кГц.
В окне передают пакет, содержащий 510 бит. Существует шесть типовых пакетов: NUB -стандартный пакет для направления вверх (рис.9.2,a); NDB - стандартный пакет для направления вниз (рис.9.2,б); SB - пакет синхронизации для АС (рис. 9.2.в); одиночный стандартный пакет для направления вниз; одиночный пакет синхронизации для АС и пакет управления.

Стандартные пакеты предназначены для передачи информации каналов трафика и управления. Одиночные пакеты — для тех же целей. Только они используются в режимах временного разделения, например, при временном разделении каналов между зонами в развитой системе. Пакет управления (рис. 9 2. г и д) состоит из двух независимых полупакетов: вверх (LB) и вниз ( СВ). LB - полупакет сигнала управления мощностью. Занимает только один (левый) полупакет. СВ - полу-пакет канала управления мощностью. Занимает один полупакет, но может передаваться в любом из них (левом и правом).

Структуру пакета (рис. 9.2) формируют следующие поля и биты:

Р - бит управления мощностью;

01 - стандартная обучающая последовательность;

02 - расширенная обучающая последовательность;

Ф - биты регулировки фазы;

F - биты коррекции частоты;

S - синхропоследовательность.

Поля для передачи информации канала трафика и канала управления обозначены ИНФ и И2, причем ИНФ означает, что это поле могут занимать биты любого из этих каналов, а И2 - только канала управления. Одной чертой на рис. 9.2 перечеркнуты поля для переходных битов, двумя чертами - защитные временные интервалы. На рис. 9.2 указано число битов каждого поля.

Обучающие последовательности служат для настройки эквалайзера, поддержания кадровой синхронизации пакетов и передачи информации о структуре пакета. Предусмотрены три стандартные обучающие последовательности по 22 бита и одна расширенная - 30 бит. Две из них указывают, что в стандартном пакете передаются один или два логических канала.

Автокорреляционные функции сигналов обучающей последовательности имеют один пик шириной один тактовый интервал и малый уровень боковых составляющих. Это позволяет надежно определить начало последовательности на приеме для поддержания кадровой синхронизации. По виду взаимокорелляционной функции можно уверенно различить последовательности.

Защитный временной интервал введен в одиночные пакеты для снижения межканальных помех. Во время этого интервала несущая не излучается. Биты регулировки фазы служат для восстановления начальной фазы несущей. Поле из 80 бит предоставлено для коррекции частоты. На этом поле формируются три радиоимпульса с известными частотами.


Сейчас читают про: