Дифференциальное включение

На рис. 1.2 приведена схема дифференциального включения ОУ.

Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Согласно свойству (пункт а) идеального операционного усилителя разность потенциалов между его входами p и n равна нулю. Соотношение между входным напряжением U1 и напряжением Up между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4: Up = U1R4/(R3+R4). Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной Un = Up, то ток I1 определится соотношением: I1 = (U2 – Up)/R1. Согласно свойству (пункт в) идеального ОУ I1 = I2. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно: Uвых = Up–I1R2, при выполнении соотношения R1R4 = R2R3 окончательно получаем: Uвых = (U1 – U2)R2/R1.

Рис. 1.2

Инвертирующее включение

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 1.3).

Рис. 1.3

Коэффициент усиления данной схемы: KU = Uвых/Uвх = –R2/R1.

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы. Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю согласно свойству (пункт а) идеального ОУ, то входной ток схемы I1 = U2 / R1.

Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх=R1. Если напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а разность потенциалов между его входами также равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. мнимым) нулем.

Неинвертирующее включение

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.4).

Рис. 1.4

Коэффициент усиления такой схемы: KU = Uвых/Uвх = 1 + R2/R1. Как видно, здесь выходной сигнал синфазенвходному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно.

17. Какие разновидности полевых транзисторов существуют?

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p-n -переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а, б (p - и n -типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n -перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-n -переходом и каналом n -типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: изи > 0, то оно сместит p - n -переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение изи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p - n -перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р - n -переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (iз? 0), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р - n -перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть uзи = 0 и подано положительное напряжение uис (рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.е. окажется, что uзс = uис и р - n -переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях р - n -перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине uис. Поэтому p - n -переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При uис = Uзи отс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения uис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Рис. 1.24 Принцип действия транзистора

Рис. 1.25 Режим отсечки

Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p -типа. В ней созданы две области с электропроводностью n +-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p - n -переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Если кристалл n -типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n +-типа расположен только кристалл p -типа и на одном из p-n +-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p -области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n -типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n -типа, то получится индуцированный канал p -типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p -канальные и n- канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторовс изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроеннымn-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p - канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC -цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р - n -переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.

18. Управляющие и выходные характеристики полевого транзистора.

а) б)

Рассмотрим вольтамперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольтамперных характеристик: стоковые и стоко - затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const.

Рисунок 3 – Вольтамперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые (выходные); б – стоко - затворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uси нас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко - затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const (рис. 3, б).

19. Что такое комбинированный транзистор?

Вред от паразитного биполярного транзистора в составе МДП-транзистора можно обратить в пользу, если к нему добавить ещё один дополнительный биполярный транзистор обратного типа проводимости по отношению к паразитному. Такое компромиссное решение, позволившее объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора, представляет собой создание монолитной структуры, называемой IGBT (InsulatedGateBipolarTransistor), т.е. биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). Отличие в структуре заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая пластина с дырочной p+ -электропроводностью (рис. 4.13, а).

В результате получится комбинированная схема рис. 4.13, б, содержащая: МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT1 и подключённый к нему ещё один биполярный транзистор VT2. Образовавшаяся структура из транзисторов VT1 и VT2 имеет положительную внутреннюю обратную связь, так как базовый ток транзистора VT1 является частью коллекторного тока транзистора VT 2, и наоборот – базовый ток транзистора VT2 является частью коллекторного тока транзистораVT1.

Коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT2 равны, соответственно, и .

Тогда токи коллектора и эмиттера определяются:

,	(4.8)
,	(4.9)
.	(4.10)

Ток стока полевого транзистора определяется по выражению

(4.11)

С другой стороны, ток стока можно определить через крутизну S стокозатворной характеристики:

(4.12)

Ток силовой части всей схемы определяется:

(4.13)

эквивалентная крутизна всей схемы.

Очевидно, что при эквивалентная крутизна значительно превосходит крутизну S МДП-транзистора, входящего в эту схему. Коэффициентами можно управлять величиной резисторов R1 и R2, которая осуществляется на этапе изготовления этой схемы.

Всю рассмотренную схему можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора, который управляется электрическим полем, как МДП-транзистор, но имеет по сравнению с ним значительно большую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Кроме того, здесь отсутствует явление вторичного пробоя, характерное для классических биполярных транзисторов.

Конструктивно IGBT выполняются в виде дискретных элементов (рис. 4.14, а) либо в виде силовых модулей (рис. 4.14, б), имеющих в своём составе несколько IGBT выполненных в едином корпусе.

Условное графическое изображение транзисторов представлено на рис. 4.14, в, г. На рис. 4.15 изображены типовые коллекторные характеристики (выходные).

Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзисторов, но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей в базе биполярного транзистора, и как следствие – со временем рассасывания этих носителей.

Процесс запирания IGBT представлен на рис. 4.16. Заряд, накопленный в базе биполярного транзистора, вызывает характерный «хвост» тока при выключении IGBT. Как только имеющийся в составе IGBT полевой транзистор прекращает проводить ток, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей, которая является началом «хвоста». Этот «хвост» ведет к увеличению тепловых потерь, а также его необходимо учитывать в мостовых схемах и вводить промежуток между интервалами проводимости двух ключей, установленных в одном плече моста. Для уменьшения «хвоста» необходимо снизить коэффициент усиления биполярного транзистора, но тогда увеличивается напряжение насыщения открытого IGBT, и соответственно – статические потери.

Тем не менее, несмотря на отмеченные особенности IGBT на сегодняшний день представляются самыми перспективными элементами для использования в качестве силовых управляемых ключей в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт.

1. Понятие логической переменной, способы задания функций алгебры логики.

Алгебра логики — определенная часть математической логики, часто называемая исчислением высказываний.

Под высказыванием понимается всякое предложение, в котором содержится смысл утверждения (истинности) или отрицания (ложности). Одно и то же высказывание не может быть одновременно истинным и ложным или не истинным и не ложным. Отдельные высказывания можно обозначить заглавными буквами латинского алфавита А, В, С,.... Если высказывание (суждение) истинно, то, например, А=1. Если С=0, то высказывание С ложно. Рассматриваются только два значения высказывания: истинное или ложное (1 или 0). Такое условие алгебры логики приводит к соответствию между логическими высказываниями в математической логике и двоичными цифрами в двоичной системе счисления, что позволяет описывать работу схем и блоков машины и проводить их анализ и синтез с помощью алгебры логики.

Определение: Отрицанием высказывания А называется новое высказывание, которое обозначается А, читается «не А» и считается истинным только в том случае, когда само высказывание ложно. II. Аналоги операций над высказываниями

1) f 14 = x1 v x2 – дизъюнкция

Определение: Дизъюнкцией двух высказываний А, В называется новое высказывание, которое обозначается А v В, читается «А или В», считается ложным, когда обе части ложные.

2) f 8 = x1 ^ x2 – конъюнкция

Определение: Конъюнкцией двух высказываний А, В называется новое высказывание, которое обозначается А В, читается «А и В» и считается истинным только в том случае, когда обе части истинны.

3) f 13 = x1 -> x2 – импликация

Определение: Импликацией двух высказываний А и В называется новое высказывание, которое обозначается А -> В, читается «если А, то В» и считается истинным только в том случае, когда посылка высказывания (А) – истина, а заключение (В) – ложно.

4) f 9 = x1 <-> x2 – эквиваленция Определение: Эквиваленцией двух высказываний А и В называется новое высказывание, которое обозначается А <-> В, читается «А тогда и только тогда, когда В» и считается истинным, когда А и В имеют одинаковые оценки.

III. Функции, близкие к импликации

1) f 11 = x2 <- x1 – обратная импликация

2) f 2 = x1 ∆ x2 – функция запрета

Определение: Запретом двух высказываний А и В называется новое высказывание, которое обозначается А ∆ В, читается «отрицание импликации» и считается истинным, только в том случае, когда посылка высказывания (А) – истина, а заключение (В) – ложно.

3) f 4 = x2 ∆ x1 – обратный запрет

IV. Стрелка Пирса

f 1 = x1 \|/ x2

Определение: Стрелкой Пирса называется функция двух переменных, которая обозначается x1 \|/ x2, читается «отрицание дизъюнкции» и считается истинной тогда и только тогда, когда оба аргумента ложны.

V. Штрих Шеффера

f 7 = x1|x2

Определение: Штрихом Шеффера называется функция двух переменных, которая обозначается x1|x2, читается «отрицание конъюнкции» и считается ложной тогда и только тогда, когда оба аргумента истинны.

VI. Сложение по модулю 2

f 6 = x1 + x2 Определение: Сложением по модулю 2 называется функция двух переменных, которая обозначается x1 + x2, читается «отрицание эквиваленции» и считается ложной тогда и только тогда, когда оба аргумента принимают одинаковые значения.

2. Полностью и неполностью определенные функции алгебры логики.

Функция является полностью заданной, если указаны ее значения для всех наборов. Сопоставляя каждому набору значение функции можно задать функцию с помощью таблицы, называемой таблицей истинности или таблицей соответствия.

Функция является не полностью заданной, если не указаны ее значения для некоторых наборов.

3. Функции алгебры логики одной переменной.

4. При n = 1 число булевых функций равно 2²¹ = 2² = 4. Определение этих функций содержится в следующей таблице.

5. Таблица значений и названий булевых функций от одной переменной:

x₀=x	Обозначение	Название
	F1,0 = 0	тождественный ноль
	F1,1 = x = x = x' = NOT(x)	отрицание, логическое «НЕТ», «НЕ», «НИ», инвертор, SWAP (обмен)
	F1,2 = x	тождественная функция, логическое "ДА", повторитель
	F1,3 = 1	тождественная единица, тавтология