Мукан Ж.Б. Лабораторные работы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств - файл n8.doc

Мукан Ж.Б. Лабораторные работы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
скачать (3218.9 kb.)
Доступные файлы (10):
n1.doc2775kb.14.10.2011 19:24скачать
n2.doc23kb.19.06.2007 03:30скачать
n3.doc286kb.16.06.2009 17:00скачать
n4.doc2364kb.27.10.2010 14:56скачать
n5.doc4155kb.30.12.2009 14:31скачать
n6.doc273kb.20.02.2010 11:51скачать
n7.doc90kb.08.04.2010 18:20скачать
n8.doc151kb.20.02.2010 11:44скачать
n9.doc1623kb.12.03.2010 13:07скачать
n10.doc2779kb.20.02.2010 11:46скачать

n8.doc



Лабораторная работа №7
ИССЛЕДОВАНИЕ истокового повторителя


  1. Цель работы




    1. Изучение основных параметров и характеристик истокового повторителя.




  1. Теоретические сведения


2.1.Полевые транзисторы
Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем, поэтому он называется полевым. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низкой частоты переменного тока может быть очень большим: 108-1015 Ом. В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы и эмиттера, что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление.

Кроме того, в отличие от биполярных транзисторов, в которых существенную роль играют как основные, так и неосновные носители, в полевых транзисторах ток переносится носителями одного знака (основными), поэтому их часто называют униполярными.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа и соответственно различают две разновидности: транзистор с управляющим p-n переходом и МДП – транзистор (структура металл-диэлектрик-полупроводник). МДП – транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МДП – транзисторы с индуцированным и встроенным каналами.
2.1.1.Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис.2.1 а.




Встроенный

канал


а) б) в)


Рис.2.1 Структура полевых транзисторов:

а) с управляющим p-n переходом;

б) с индуцированным каналом;

в) со встроенным каналом.
Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа, образованных на боковых гранях кристалла. Области p-типа соединяются вместе и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З).

На границах раздела полупроводников p- и n- типа образуются запирающие слои, обладающие высоким сопротивлением. Объем, заключенный между p-n переходами, называется каналом (К). Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются (дрейфуют) в сторону положительного полюса источника напряжения.

Полупроводниковая область, от которой движутся электроны, называют истоком (И), а область, к которой они движутся, называется стоком (С). На затвор относительно истока подается напряжение Uзи, смещающее p-n переходы затвор-канал в обратном направлении. В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит идея изменения площади поперечного сечения проводящего канала. При увеличении Uзи смещающее обратное напряжение на p-n переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводимость канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при Uси=0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки Uзи отс.. Очевидно, что эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода расширяется в основном в сторону канала. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов, таким образом, чтобы выполнялось условие Na>> ND. Т.е. область затвора должна иметь повышенную проводимость по отношению к исходной пластине, а p-n переход резко несимметричен.

При наличии напряжения Uси потенциалы канала у стокового и истокового концов оказываются разными. Напряжения на p-n переходе у истокового конца равно Uзи, а у стокового канала Uзи│+│Uси, поэтому запирающий слой у стокового конца будет шире, чем у истокового. Увеличение напряжения стока Uси вызовет увеличение тока стока Iс , которая создает падение напряжения вдоль канала, и напряжение p-n перехода у стокового конца может достигнуть Uзи отс., при котором в сечении около стока должно произойти перекрытие канала.

Правые точки канала имеют более положительный потенциал по отношению с левыми, и еще более положительный потенциал по отношению ко всем точкам затвора, находящимся при одинаковом отрицательном потенциале. Вследствие этого проводящий канал сильно сужен в правой части. Если разность потенциалов затвор-сток превышает напряжение отсечки, то канал в правой части на некотором протяжении имеет очень малое сечение. Но абсолютно полного перекрытия канала не будет. В действительности около стока остается узкая токопроводящая перемычка (так называемая «горловина» канала), в которой напряженность электрического поля достигает критического значения, а скорость дрейфа носителей – скорости насыщения, определяющий постоянную плотность дрейфового тока. При дальнейшем увеличении напряжении стока «горловина» удлиняется и на ней падает все дополнительное напряжение стока, сверх того значения, при котором произошло условное перекрытие канала. Полного перекрытия канала путем увеличения напряжения Uси получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала. В итоге происходит не отсечка, а лишь ограничение тока канала, т.е. этот ток становится практически независимым от Uси. Такой процесс называется насыщением, а напряжение и ток соответственно напряжением насыщения Uси нас. и током насыщения Iс нас.. Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока Iс зависят от напряжения Uзи и Uси. Пусть, например, напряжение отсечки Uзи отс=-5 В. если напряжение Uзи=-1В, то сужение канала в правой части начнется при напряжении Uси=+4 В. Если напряжение сток-исток повысить, то сужение канала продвинется влево.

Входное сопротивление полевого транзистора велико (сотни МОм), поскольку управляющий p-n переход включается в обратном направлении.
2.1.2. МДП-транзисторы
Работа МДП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным затвором в приповерхностной области полупроводника образуется тонкий слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника – канал, сопротивлением которого можно управлять изменяя напряжение на затворе. В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают транзисторы с индуцированным и встроенными каналами. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используют диоксид кремния SiO2, поэтому такие МДП-транзисторы часто называют МОП-транзисторами.

Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис.2.1.б). в полупроводнике p-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы две n+ -области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая – истоком. При отсутствии напряжения между затвором и истоком Uзи=0 канал отсутствует, а между стоком и истоком оказывается встречно включенными два p-n перехода, поэтому Iс в этом случае практически равен нулю. Если подать на затвор положительное напряжение (Uзи>0), то действием электрического поля начнется оттеснение дырок от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубь полупроводника. В результате этого в приповерхностном слое образуются свободные электроны. При некотором пороговом напряжении на затворе концентрация электронов в этом слое может оказаться больше, чем концентрация дырок. Произойдет инверсия типа электропроводности. Инверсный слой электронов соединит n+ -области стока и истока, т.е. создается проводящий канал. Сопротивление канала зависит от концентрации электронов в нем. Поэтому изменяя Uзи, можно менять ток стока при подключении напряжения между стоком и истоком Uси. Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего канал у истока шире, чем у стока. При увеличении положительного напряжения на затворе глубина проникновения инверсного слоя в полупроводник будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Такой режим работы транзистора называется режимом обогащения. Транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому называются полевыми транзисторами обогащенного типа. Если на затвор подать отрицательное напряжение, то n+ -области стока и истока окажутся разделенными и ток стока уменьшится до очень малого значения, определяемого обратным током включенных встречно p-n переходов.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом рис.2.1.в) между областями стока и истока заранее технологическим путем создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что у стока и истока. Поэтому при Uзи=0 между стоком и истоком (при подключении Uси) будет некоторый ток, называемый начальным током стока Iс. нач.. Такие транзисторы работают как при положительных, так и при отрицательных напряжениях на затворе. При отрицательном напряжении наблюдается режим обеднения, когда электрическое поле, создаваемое Uзи, выталкивает электроны из канала, уменьшая его удельную проводимость. При положительном напряжении Uзи наблюдается режим обогащения, когда электроны втягиваются в канал из р-области, что увеличивает удельную проводимость канала.

В качестве исходной полупроводниковой пластины во всех видах полевых транзисторов могут быть использованы полупроводники как n-, так и р-типов. Поэтому различают полевые транзисторы n- и р-типов, а всего может быть шесть разновидностей полевых транзисторов (рис.2.2).


С С С С С С
З З З З З З
И И И И И И

а) б) в) г) д) е)
Рис.2.2. Условные обозначения полевых транзисторов

а) Полевой транзистор с p-n переходом, канал р-типа;

б) Полевой транзистор с p-n переходом, канал n-типа;

в) МОП- транзистор со встроенным каналом р-типа;

г) МОП- транзистор со встроенным каналом n-типа;

д) МОП- транзистор с индуцированным каналом р-типа;

е) МОП- транзистор с индуцированным каналом n-типа.
Наиболее полно работа полевых транзисторов описывается семейством выходных статических характеристик (рис.2.3), которые для всех типов полевых транзисторов практически одинаковы.

а) б) в)

Рис.2.3 Статические ВАХ транзисторов:

а) полевые транзисторы с управляемым p-n переходом;

б) МДП транзисторы с индуцированным каналом;

в) МДП транзисторы со встроенным каналом.
Начнем с характеристики Iс(Uси) при Uзи=0 полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При малых значениях Uси ток Iс увеличивается с ростом Uси почти линейно. Затем наступает режим насыщения, при котором рост тока Iс с повышением напряжения Uси практически прекращается. Это происходит потому, что с увеличением тока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается и при достаточно больших значениях Iс наступает своеобразное динамическое равновесие – увеличение тока Iс вызывает сужение канала, которое приводит к уменьшению тока, и наоборот. При достаточно большом напряжении Uси наблюдается резкий рост тока Iс, обусловленный электрическим пробоем p-n перехода у стокового конца канала. При Uзи<0 вид характеристик Iс(Uси) будет таким же, как и при Uзи=0, только из-за того, что первоначальная площадь поперечного сечения проводящего канала будет меньше, начальное значение тока Iс также будет меньше. Уменьшается и напряжения насыщения, и напряжения пробоя.

Общий вид семейства выходных статических вольт-амперных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом показан на рис.2.3 а); МДП-транзистора с индуцированным каналом – на рис.2.3 б); МДП-транзистора со встроенным каналом – на рис.2.3 в). Отличия выходных характеристик различных типов МДП- транзисторов заключаются в расположении характеристик при Uзи=0. в МДП-транзисторе со встроенным каналом эта характеристика располагается посередине семейства. Выше ее идут характеристики, соответствующие режиму обогащения, а ниже – режиму обеднения.

Приведенные выше характеристики МДП-транзисторов справедливы для случая, когда их подложки (П) соединены с истоком. Подложку можно также использовать в качестве дополнительного электрода, напряжение на котором управляет током в проводящем канале транзистора. В этом случае подложку называют нижним затвором. Механизм управления током канала оказывается совершенно таким же, как при управлении напряжением затвора, а семейство характеристик Iс(Uси) при Uпи=const имеет тот же вид, что и характеристик Iс(Uси) при Uзи=const.

Основными параметрами полевых транзисторов являются: крутизна характеристики S, коэффициент усиления ? и внутреннее сопротивление Ri.

Крутизной характеристики S полевого транзистора называют отношение изменения тока стока к вызывавшему его изменению напряжения на затворе при Uси=const

S=? Iс /? Uзи (2.1)
Коэффициентом усиления ? полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при Iс=const




? =? Uси /? Uзи (2.2)
Внутренним сопротивлением Ri полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к соотвествующему изменению тока стока при Uзи=const




Ri =? Uси /? Iс (2.3)
Коэффициент усиления, крутизна характеристики и внутреннее сопротивление полевого транзистора связаны между собой соотношением
?= S Ri. (2.4)

Рабочей областью характеристик полевых транзисторов является область динамического равновесия, в которой для современных полевых транзисторов S=0,3…3 мА/В, а Ri составляет несколько мегаом. Важнейшими особенностями полевых транзисторов являются их очень высокие входное сопротивление (до 1015 Ом) и граничная частота (до 1 ГГц).
2.2. Истоковый повторитель (ИП)
Схема усилительного каскада с ОС приведена на рис.2.4 а) и б).


а) принципиальная схема истокового повторителя на транзисторе

с управляющим p-n переходом, канал р – типа.



б) полная эквивалентная схема усилительного каскада
Рис.2.4
Резисторы RЗ1, RЗ2, RИ используются для задания режима по постоянному току. RИ является нагрузкой каскада по постоянному току. Нагрузкой каскада по переменному току будет RН~= RИ║RН. Истоковый повторитель (ИП) охвачен 100 % -ой обратной отрицательной связью по напряжению. Эквивалентная схема одного каскада показана на рис 2.4 б). Сопротивление RЗ представляет параллельное для переменного тока соединение RЗ1 и RЗ2, а R! – параллельное соединение rс и RИ.




rс =? Uси /? Iс
-выходное сопротивление полевого транзистора, которое лежит в пределах 10-100 Ком. SUзи- источник тока, Сзи –емкость затвор-исток, лежит в пределах 2-20 пФ, проходная емкость Сзс =0,3-10 пФ, а выходная Свых включает в себя емкость Сси =3-15 пФ и емкость монтажа. Отметим, что интегральные микросхемы имеют значительно меньшие межэлектродные емкости.

На рис.2.5 приведена эквивалентная схема ИП для средних частот, когда Сз можно считать малым по сравнению с большим сопротивлением RЗ, а емкостями Сзи , Сзс и Свых можно пренебречь.




Рис.2.5 Эквивалентная схема ИП для средних частот
Из этой схемы следует, что Uвх =Uзи +Uвых, причем Uвых= SUзи · R!И, где R!И= RИ║RНrс. Следовательно, Uвх=Uзи + SUзи · R!И. Тогда


SUзи · R!И S · R!И

Uзи + SUзи · R!И 1+ S · R!И (2.5)
Входное сопротивление самого транзистора предельно большое (109 Ом), поскольку вход – обратно смещенный p-n переход. Но это сопротивление ограничено сопротивлением делителя в цепи затвора RЗ, поэтому входное сопротивление ИП равно:

RВХ= RЗ1║RЗ2 (2.6)


Для определения выходного сопротивления подадим переменное напряжение на выход эквивалентной схемы на рис.2.5,отключим RИ и RН и положим Еr=0. Тогда

Iвых=Uвых / rс+SUвых=(1/rс +S) Uвых
Первый член в скобках много меньше второго, поэтому Iвых ?SUвых
Отсюда RВЫХ?1/S (2.7)
Это сопротивление, как и у эмиттерного повторителя (ЭП), оказывается малым.

Таким образом, ИП представляет собой усилительный каскад с большим входным и малым выходным сопротивлением, но с коэффициентом усиления напряжения хотя и очень близким к единице, но никогда не превышающим ее. Кроме того, у ИП весьма широкая полоса пропускания, несколько лучше, чем у ЭП и значительно превосходит полосу пропускания других усилительных каскадов.

Как отмечалось в предыдущей работе, полоса пропускания усилительного каскада определяется двумя постоянными времени ?н и ?в. для нахождения частотной характеристики ИП можно использовать ту же эквивалентную схему в области высших частот, что и для ЭП (рис1.2 в предыдущей работе), откуда следует ?в ?RВЫХ ·С. Но у ИП ?в меньше, чем у ЭП из-за малых выходных емкостей. Это говорит о том, что верхняя граничная частота у ИП несколько выше. Кроме того, у ИП входное сопротивление чрезвычайно велико, постоянная времени ?н оказывается очень большой. Следовательно, частотная характеристика в области низших частот лучше, чем у ЭП и других усилителей. Таким образом, у ИП частотная и переходная характеристики можно считать не вносят никаких частотных искажений. Еще одним достоинством ИП и ЭП напряжения является их большой динамический диапазон (амплитудная характеристика имеет большой линейный участок). Поэтому повторители не вносят амплитудных искажений и часто используются в качестве последнего каскада в предварительных усилителях.


  1. Порядок выполнения работы




    1. Принадлежности к работе

      1. Лабораторный комплекс ЛКЭЛ, модуль ТР «Схемотехника транзисторов».

      2. Многофункциональный генератор-частотомер АКТАКОМ, АНР-1001

      3. Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-20

Рис.3.1 Истоковый повторитель, лабораторный макет
Схема лабораторного макета, собранного на стенде приведена на рис.3.1.


    1. Рабочее задание

      1. Измерить режим по постоянному току.

      2. Подать на вход повторителя синусоидальные колебания (f~несколько КГц с амплитудой 2 –3 вольта). К выходу каскада подключить осциллограф, пронаблюдать колебания на входе и выходе.

      3. Снять и построить амплитудную характеристику Uвых =ѓ(Uвх).

      4. Снять и построить амплитудно-частотную характеристику.

      5. Пронаблюдать прохождение положительного и отрицательного импульсов через каскад. Измерить амплитуду, длительность, время нарастания, спад вершины входного и выходного импульсов.

      6. Построить графики амплитудной и амплитудно-частотной характеристик. Зарисовать формы импульсов.




  1. Отчет

В отчете о проделанной работе должны быть краткий конспект по теории простейшего усилителя, принципиальная и эквивалентная схема. По всем пунктам рабочего задания должны быть приведены соответствующие таблицы и графики. Интерпретация результатов измерений и полученных графиков зависимостей, а также их сравнение с теоретическими представлениями.


  1. Контрольные вопросы

    1. Нарисуйте принципиальную и эквивалентную схему истокового повторителя.

    2. Опишите принцип действия и характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом, с индуцированным и встроенным каналами.

    3. Почему полевой транзистор называется также униполярным?

    4. Чем объясняется большое входное сопротивление полевых транзисторов?

    5. Какие отличия и преимущества полевого транзистора перед биполярным?

    6. При каких напряжениях на затворе МДП-транзистора с индуцированным каналом транзистор работает в режиме обогащения?

    7. При каких напряжениях на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом транзистор работает в режиме либо обогащения, либо обеднения?

    8. Отчего зависит полоса пропускания и АЧХ ИП?

    9. Напишите формулу коэффициента усиления ИП для средних частот.

    10. Чему равно входное и выходное сопротивления ИП?




  1. Литература




    1. В.И.Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.

    2. В.Н.Ушаков, О.В.Долженко Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М., 1993, 352 с..

    3. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М., 1993, 416 с.

    4. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000, 488 с.

    5. А.А.Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с.

    6. А.Л.Булычев, П.М.Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000, 415 с.

    7. В.И.Нефедов. Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 2000, 399 с.

    8. В.И.Лачин, Н.С.Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс», 2009,703с.




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации