Шамшин В.Г. Основы схемотехники. Учебно-методический комплекс

Подождите немного. Документ загружается.

163

Рис.П.5. Схемы включения транзисторов

Для каждой схемы включения используется свое соотношение, связы-

вающее зависимость выходного тока от входного.

2.2.1. Статические характеристики

Основные свойства транзисторов определяются статическими входны-

ми I

вх

= φ(U

вх

) и выходными I

вых

= φ(U

вых

) характеристиками. Вид характе-

ристики зависит от схемы включения транзистора.

Рис. П.6. Характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой

На выходных характеристиках можно выделить три области, соответ-

ствующие различным режимам работы транзистора:

– область отсечки 1 при I

<0, в которой переходы заперты, т.к. к ним

подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит незначитель-

ные токи, обусловленные движением неосновных носителей заряда. транзи-

стор в этом режиме находится в закрытом состоянии.

– активная область 2 при I

>0, в пределах которой выходной ток про-

порционален входному, т.к. на эмиттерный переход подано прямое напряже-

ние, открывающее эмиттерный переход, на коллекторный – обратное.

– область насыщения 3 (U

кб

>0 , U

эб

>0) при I

= Iнас, в которой оба пе-

рехода находятся под прямым напряжением, выходной ток транзистора оп-

ределяется в основном напряжением питания и сопротивлением нагрузки.

164

Рис. П.7. Характеристики транзистора при включении

по схеме с общим эмиттером

2.2.2. Параметры транзисторов

Транзисторы характеризуются рядом параметров, используемых при

проведении расчетов электронных схем. Все параметры условно можно раз-

делить на несколько групп.

Энергетические параметры:

– допустимое напряжение между электродами U

кэдоп

, U

кбдоп

;

– допустимый ток коллектора I

кдоп

;

– максимальная мощность рассеяния на коллекторе Р

кдоп

;

– неуправляемый ток коллектора I

кбо

Физические параметры – сопротивления эмиттерного r

, коллекторного

переходов, объемное сопротивление базы r

, емкости переходов С

кб

и С

бэ

коэффициенты передачи токов эмиттера a и базы b.

Параметры транзистора, представляемого в системе четырехполюсни-

ка, – h

, h

для соответствующей схемы включения.

Частотные параметры определяют диапазон частот гармонического

сигнала, в пределах которого коэффициенты передачи входного тока в схе-

мах ОБ и ОЭ h

21Б

и h

21Э

имеют определенную величину (рис.1.20).

– граничная частота усиления транзистора, включенного по схеме с ОБ.

– граничная частота усиления транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Рис.П.8. Частотные характеристики коэффициентов передачи тока

165

Величины f

и f

связаны между собой соотношением f

= f

/ (1 + b

Кроме значений граничных частот также используется значение предельной

частоты усиления f

, под которой понимается частота, на которой коэффици-

ент передачи тока базы равен единице (b=1) и f

= b· f

Связь физических параметров с параметрами четырехполюсника

Таблица П.1

Параметр Схема с ОБ Схема с ОЭ Схема с ОК

+ r

× (1 - a) r

+ r

× (b + 1) r

+ r

× (b + 1)

/ r

(B+1) r

/ r

a b

(b + 1)

1 / r

(b+1) / r

Между параметрами различных схем включения существует однознач-

ная связь, определяемая соотношениями, приведенными в табл.П.2.

Связь h-параметров для различных схем включения

Таблица П.2

2.2.3. Система обозначений

Второй элемент системы обозначений полупроводниковых приборов

показывает его вид – Т- биполярный транзистор. Третий элемент (цифра) для

биполярных транзисторов одновременно указывает на их мощностные и час-

тотные параметры. По уровню мощности все транзисторы разделяются на

три группы: маломощные (Pк < 0.3 Вт), средней мощности (Pк < 1.5 Вт),

большой мощности (Pк > 1.5 Вт). Маломощным транзисторам соответствуют

цифры 1, 2, 3, транзисторам средней мощности – 4,5,6, транзисторам боль-

шой мощности – 7,8,9.

По частотным свойствам транзисторы подразделяются на низкочастот-

ные (Fгр < 3 МГц), среднечастотные (Fгр < 30 МГц), высокочастотные (Fгр >

30 МГц) и сверхвысокочастотные. Низкочастотным транзисторам соответст-

вуют цифры 1,4,7, среднечастотным – 2,5,8, высокочастотным – 3,6,9.

Пример: КТ315Б – кремниевый биполярный транзистор малой мощно-

сти, высокочастотный, 15 номер разработки, разновидности – Б.

Параметр Схема с ОБ Параметр Схема с ОЭ

11э

1 h

11б

1 h

12э

2211

12б

2211

21э

1 h

21б

1 h

22э

1 h

22б

1 h

166

2.3. Униполярные (полевые) транзисторы

2.3.1. Характеристики полевых транзисторов

В зависимости от выполнения затвора различаются униполярные тран-

зисторы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. По-

следние в зависимости от способа изоляции управляющего электрода от ка-

нала называются транзисторами МДП (металл - диэлектрик - полупроводник)

и МОП (металл - окисел - полупроводник) транзисторами.

На рис. П.9-П11 приведены сквозные I

= j(U

зи

) характеристики, пока-

зывающие зависимость выходного тока от напряжения между управляющим

электродом (затвором) и истоком для транзисторов "n" и "p"-типа, а также

вид выходных характеристик I

= j(U

си

Рис.П.9. Статические характеристики транзистора с затвором "p-n" -типа

Рис. П.10.Статические характеристики транзистора со встроенным каналом

Рис.П.11. Статические характеристики транзистора с индуцированным каналом

167

На выходных характеристиках выделяются две характерных области:

линейная (омическая) при U

си

< U

отс

- U

зи

, где выходной ток пропорционален

выходному напряжению, и область насыщения, в пределах которой выход-

ной ток практически постоянен.

2.3.2.. Параметры полевых транзисторов

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

─ ток стока насыщения I

сн

(ток стока при U

зи

= 0);

─ напряжение отсечки U

отс

(напряжение U

зи

, при котором I

=0);

─ крутизна транзистора S = DI

/ DU

зи

. Из-за нелинейности сквозной

характеристики крутизна зависит от величины тока:

─ внутреннее сопротивление R

= DU

си

/ DI

;

─ коэффициент усиления m = DU

си

/ DU

зи

;

Коэффициент усиления, крутизна и внутреннее сопротивление связаны

между собой соотношением m = SR

;

─ предельная частота усиления F

= 1 / (2pC

зи

);

─ внутренние межэлектродные емкости С

зи

, С

зс

, С

си

2.3.4. Система обозначений

В системе обозначений полевых транзисторов дополнительно преду-

сматривается введение ряда дополнительных знаков, указывающих на кон-

структивно-технологических особенностей приборов. Цифра от 1 до 9 ис-

пользуется для обозначения модернизаций транзисторов, приводящих к из-

менению его конструкции или электрических параметров, буква С — для

обозначения транзисторных сборок, цифра, написанная через дефис,— для

бескорпусных транзисторов.

Пример: 2ПС202А-2 — набор маломощных кремниевых полевых тран-

зисторов средней частоты, номер разработки 02, группа А, бескорпусный, с

гибкими выводами на кристаллодержателе.

3. Элементы интегральных микросхем

Под интегральной микросхемой (ИМС) понимается микроэлектронное

изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки

сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных

элементов и которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, по-

ставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

3.1. Классификация ИМС

Основными видами классификации ИМС являются степень интеграции

(плотности размещения элементов схемы в единице объема), технология из-

готовления, функциональное назначение.

168

Рис.П.12. Классификация интегральных микросхем

К монолитным (полупроводниковым) относятся микросхемы, в кото-

рой все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на

поверхности полупроводникового кристалла.

К пленочным относятся микросхемы, где все составляющие ее элемен-

ты и межэлементные соединения нанесены на изоляционную подложку в ви-

де тонких (с толщиной до 1 мкм) или толстых пленок (с толщиной больше 5

мкм).

Гибридной микросхемой является ИМС, в которой на одной изоли-

рующей подложке пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, токопро-

водящие дорожки и др.) выполнены по пленочной технологии, а активные

элементы - навесными, т.е. обычными дискретными бескорпусными транзи-

сторами с гибкими или с жесткими проволочными выводами. Навесными

также могут быть конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности.

В зависимости от функционального назначения ИМС делятся на анало-

говые и цифровые (дискретные). Дискретные ИМС предназначены для рабо-

ты с импульсными сигналами, аналоговые – для работы с непрерывными.

Также микросхемы подразделяются по видам применения на микро-

схемы общего назначения и частного (заказные). К микросхемам общего на-

значения относят устройства определенного функционального назначения,

возможные к использованию во многих видах радиоэлектронной устройств.

К микросхемам частного применения относятся ИМС, разработанные на ос-

нове стандартных или специально созданных элементов и узлов по функцио-

нальной схеме заказчика и предназначенные для определенного вида элек-

тронного устройства.

Интегральные схемы

Степень

интеграции

Технология

изготовления

Функционал

ь-

ное

назначение

Монолитные

Пленочные

Гибридные

Малые

Средние

Большие

Сверхбольшие

Дискретные

Аналоговые

169

3.2. Система условных обозначений

3.2.1.Отечественные ИМС

Система условных обозначений интегральных микросхем установлена

ОСТ 11073915-80. В основу системы обозначений, как и для всех полупро-

водниковых приборов, положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент - цифра, обозначающая группу интегральной микро-

схемы по конструктивно-технологическому исполнению: 1,5,6,7 - полупро-

водниковые ИМС; 2,4,8 - гибридные; 3 - пленочные.

Второй элемент - две или три цифры (от 01 до 99 или от 001 до 999),

указывающие на порядковый номер разработки данной серии ИМС.

Третий элемент - две буквы, обозначающие функциональную под-

группу и вид микросхемы. Например, ХА – аналоговые ИМС, ХЛ – цифро-

вые ИМС, УТ - усилители постоянного тока, УИ – усилители импульсные,

УН – усилители низкой частоты, УД – операционные усилители;

Четвертый элемент - число, обозначающее порядковый номер разра-

ботки микросхемы в серии.

В обозначение также могут быть введены дополнительные буквы, ука-

зывающие на разновидность микросхем и т. п.

Как правило, перед первым элементом обозначения ставится буква, оз-

начающая область применения или вид корпуса микросхемы: А - пластмас-

совый корпус, К - для аппаратуры широкого применения, М - керамический

корпус, Р - пластмассовый корпус. На рис.П.13 приведен пример обозначе-

ния цифровой и аналоговой микросхем.

Рис.П.13. Пример обозначения интегральных микросхем

3.2.2. Зарубежные ИМС

В европейских странах используется система обозначения PRO

ELEKTRON, согласно которой код состоит из трех букв, за которыми следу-

ет серийный номер.

Для одиночных микросхем первый элемент (буква) отражает принцип

преобразования сигнала (S – цифровой, T – аналоговый, U - аналогово-

цифровой), второй элемент (буква) выбирается фирмой - изготовителем и не

170

имеющая специального назначения. Исключение составляет буква H, кото-

рой обозначаются гибридные микросхемы.

Для серий цифровых микросхем:

Первый и второй элемент - буквы, отражающие схемотехнологиче-

ские особенности: FD - МОП-схемы; FL - стандартные ТТЛ-схемы и т.д.

Третий элемент - буква, обозначающая диапазон рабочих температур:

А - температурный диапазон не нормирован, В - от 0 до +70°С и т.д.

Четвертый элемент - четыре цифры, обозначающие серийный номер.

Кроме того, за цифрами вводится две буквы для обозначения типа корпуса и

вида материала, из которого он изготовлен. Первая буква: С - цилиндриче-

ский корпус, E - мощный с внешним теплоотводом, F – плоский и т.д. Вто-

рая буква: G – стеклокерамика, M – металл, P – пластмасса, X – прочие.

4. Пассивные элементы

4.1. Резисторы

Резистор (от лат. resisto — сопротивляюсь) — элемент электрической

цепи, предназначенный для создания в электрической цепи заданной вели-

чины активного сопротивления электрическому току.

Резисторы классифицируются по ряду признаков. По назначению дис-

кретные резисторы делятся на резисторы общего назначения, прецизионные,

высокочастотные, высоковольтные и высокоомные.

По значению сопротивления резисторы подразделяются на:

- постоянные, сопротивление которых фиксировано;

- переменные (регулируемые), представляющие собой потенциометры,

реостаты, подстроечные резисторы, сопротивление которых можно изменить

от нуля до номинального значения с помощью подвижного контакта, пере-

мещаемого прямолинейно или по кругу. Переменные резисторы могут иметь

линейную (класс "А"), логарифмическую (класс "Б") и показательную (класс

"В") зависимости сопротивления от угла поворота движка (рис.П.14,а). Пе-

ременные резисторы конструктивно могут быть сдвоенными, имеющие об-

щую ось регулировки сопротивлений, или объединенные с выключателями;

Рис. П.14. Характеристики резисторов: переменных, термисторов

- нелинейные, обладающие нелинейной вольтамперной характеристи-

кой. К ним относятся терморезисторы с большой зависимостью сопротивле-

171

ния от температуры, фоторезисторы, сопротивление которых зависит от ос-

вещённости;

- специальные резисторы нескольких подвидов: высокоомные от

10Мом до сотен ТОм, U

ном

=100…400В, высоковольтные от 1МОм до 10

МОм, U

ном

до десятков кВ, прецизионные (измерительные) с малым разбро-

сом номинального сопротивления (0,001±1%).

По способу создания резистивного слоя и используемому материалу

резисторы подразделяются на:

- проволочные резисторы, представляющие собой намотанную на ка-

кой-либо каркас (керамический цилиндр) проволоку с высоким удельным

сопротивлением (нихром или манганин);

- плёночные металлические резисторы, представляющие собой тонкую

плёнку резистивного материала с высоким удельным сопротивлением, напы-

ленную на керамический каркас, на концы которого надеты металлические

колпачки с проволочными выводами. Дополнительно для повышения сопро-

тивления в плёнке может иметься нарезанная канавка. Основными видами

резисторов являются металлоокисные или металлопленочные, пленочные

композиционные, объемные композиционные.

- углеродистые резисторы, использующие свойства высокого удельного

сопротивления графита.

- полупроводниковые резисторы, в которых используется сопротивле-

ние слаболегированого полупроводника. К ним относятся терморезисторы, у

которых сопротивление зависит от температуры. Изготавливаются из метал-

ла с линейной зависимостью сопротивления от температуры (медь) или из

полупроводника. Варисторы – полупроводниковые резисторы, сопротивле-

ние которых зависит от величины приложенного напряжения.

Параметры резисторов:

- номинальное сопротивление R, распределенное на шесть Е6, Е12,

Е24, Е48, Е96, Е192 рядов сопротивлений, указывающих число номиналов в

каждом ряде. Для каждого ряда, определяющего уровень допуска сопротив-

лений, установлен свой номинальный порядок. Например, для ряда Е24 (до-

пуск 5%) установлены следующие номинальные сопротивления 1; 1,1; 1,2;

1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8;

7,5; 8,2; 9,1. Конкретное значение сопротивления резистора получается ум-

ножением числа из стандартного ряда на 10

, где n - целое положительное

или отрицательное число.

- величина допуска на номинальное сопротивление, означающий раз-

ницу между номинальным и действительным значением. Выражается в про-

центах от ±(0.01 до 30)%;

- номинальная мощность рассеяния, которую может рассеивать рези-

стор в течении длительного времени;

- температурный коэффициент сопротивления (ТКС) – показатель тем-

пературной стабильности, показывающий относительное изменение сопро-

тивления при изменении температуры на один градус α

= ΔR/ (DT· R

). В

172

общем случае сопротивление резистора при заданной температуре равно

R=R

·α

·(Т-Т

);

- ЭДС теплового и токового шумов резистора.

Система обозначений

Согласно установленной системе сокращенных и полных условных

обозначений резисторов, сокращенное условное обозначение резисторов со-

стоит из следующих элементов:

Первый элемент - буква или сочетание букв, обозначающих подкласс

резисторов (Р - резисторы постоянные; РП - резисторы переменные; HP - на-

боры резисторов; ВР - варистор постоянный; ВРП - варистор переменный;

ТР - терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопро-

тивления /ТКС/; ТРП - терморезистор с положительным ТКС );

Второй элемент - цифра, определяющая группу резисторов по исполь-

зуемому резистивному материалу (1 - непроволочные; 2 - проволочные или

металлофольговые).

Третий элемент - цифра, обозначающая регистрационный номер разра-

ботки конкретного типа резистора.

Для полного условного обозначения резистора к сокращенному обо-

значению при необходимости добавляется вариант конструктивного испол-

нения, значения основных параметров и характеристик, климатического ис-

полнения (В - всеклиматическое и Т – тропическое).

Буквенно-цифровая маркировка на резисторах содержит: вид, номи-

нальную мощность, номинальное сопротивление, допускаемое отклонение

сопротивления и дату изготовления. Так как сопротивление резисторов изме-

ряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм), то в зависимости от их

размеров применяются сокращенные (кодированные) обозначения номи-

нальных сопротивлений и допусков, которые состоят из четырех-пяти эле-

ментов, включающих две-три цифры и две буквы:

- цифры, указывающие величину сопротивления в Омах;

- буква русского или латинского алфавита обозначающая множитель,

составляющий сопротивление ("R(E)"=1; "К(К)"=10

; "М(М)"=10

;

"G(Г)"=10

; "Т(Т)" =10

). Для резисторов с дробным значением сопротивле-

ния единица измерения ставится на месте запятой.

- буква, обозначающая величину допуска в процентах: (Е=±0.001;

L=±0.002; R=±0.005; Р=±0.01; U=±0 02; В(Ж)=±0.1; С(У)=±0.25; D(Д)=±0.5;

F(Р)=±1; G(Л)=±2; J(И)=±5; К(С)=±10; М(В)=±20; N(Ф)=±30. Величина до-

пуска может быть нанесена под номиналом сопротивления во второй строке.

На резисторах номинал сопротивления может быть указан в кодиро-

ванном виде цифрами и буквами (15R, 3к3, М30) или в виде цветовой коди-

ровки цветными полосами где каждому цвету соответствует определенное

цветовое значение (Табл.П.3).