Комп’ютерна електроніка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

Факультет комп’ютерних наук

Кафедра комп’ютерних систем та мереж

Курсова робота

Комп’ютерна електроніка

Вступ. Етапи розвитку електроніки   Класифікація електронних пристроїв

Електроніка – галузь науки, яка займається дослідженням фізичних процесів, що відбуваються в різних середовищах при протіканні струму, і, як галузь техніки, займається розробкою електронних приладів на основі цих явищ. Розрізняють фізичну і технічну електроніку.

На основі застосувань електроніки розвилась галузь: мікроелектроніка – галузь, яка займається технічними проблемами реалізації електронних приладів у вигляді інтегральних мікросхем, - пристроїв, що складаються з окремих дискретних елементів (діодів, транзисторів) виготовлених в одному технологічному циклі і розміщуються на спільній несучій конструкції в спільному корпусі.

Електроніку поділяють на аналогову і цифрову.

Під аналоговою розуміють елементи, пристрої і системи, які забезпечують обробку електричних сигналів, що змінюються за законами неперервної функції, тобто в різні моменти часу можуть приймати довільні значення напруги чи струму.

В цифровій елементи займаються обробкою сигналів, що змінюються дискретно. Щоб забезпечити дискретну зміну сигналу використовують методи квантування сигналів за часом, за рівнем або одночасно.

В залежності від елементної бази, яка використовується в електронних пристроях, можна виділити кілька етапів розвитку електроніки:

1.                1904 – 1950 рр.: електронно-вакуумні лампи. Використовуються електровакуумні та газорозрядні пристрої.

2.                1950 – 1960 рр.: застосування дискретних напівпровідникових приладів. 1947р. – транзисторний ефект у напівпровідникових кристалах.

3.                1960 – 1980 рр.: застосування інтегральних схем і мікрозборок. В 60х роках – 2 принципи виготовлення технічних пристроїв:

·                    Груповий метод;

·                    Планарна технологія.

Рівень інтеграції k=lg N визначається кількістю елементів, що розміщені на одному кристалі.

4.                1980 – 2005 рр.: розробка і застосування великих і надвеликих інтегральних схем (ВІС, НВІС, ННВІС). Ці великі схеми, що утримують більше 1000 елементів на 1 кристал відносять до 4 і 5 рівня інтеграції.

5.                сучасний етап розвитку характеризується застосуванням функціональних електронних пристроїв. Функціональними називають пристрої, в яких для перетворення електронних сигналів використовують не електронні пристрої, а певні фізичні явища, що забезпечують обробку фізичних чи інформаційних сигналів. Розрізняють магнітоелектричні, оптоелектричні, акустоелектричні, кріоелектричні, біоелектричні та інші функціональні схеми.

Сучасний розвиток електроніки зумовлений досягненням в технології, таким як молекулярно-променева технологія та дослідження наноструктурованих об’єктів в тому числі спінових ефектів, тому сучасні прилади називаються наноелектричними.

Ці методи дозволяють створювати електронні елементи інтегральних схем за 0.13 – 0.11 мікронною технологією.

Електронні пристрої для цифрової електроніки повинні працювати з дискретними сигналами, які можна одержати кількома методами квантування: по часу, рівню, по часу і рівню. За функціональними ознаками їх поділяють на імпульсні, релейні та цифрові.

Для характеристики імпульсних сигналів використовують наступні параметри: амплітуда імпульсу Um, тривалість імпульсу ti, тривалість паузи tп, тривалість фронту імпульсу tф, тривалість спаду tсп, період імпульсу T= ti + tп, коефіцієнт заповнення імпульсу  , шпаруватість імпульсу .

Сигнали, в яких q = 2, називають меандром.

За реальні значення ti вибирають відстань від значення 0.1Um до меншого значення за величину 0.1Um.

Фронт імпульсу – час, за який досягається значення від 0.1Um до 0.9Um, спад імпульсу – час від 0.9Um до 0.1Um.

Крім імпульсного виділяють також функції релейного типу та цифрового. Крім того процес перетворення аналогового сигналу в дискретний називають ще модуляцією і можна його описати з допомогою сигналів амплітудно-, широтно- та фазо-імпульсної модуляції.

При амплітудно-імпульсній модуляції дискретизацію сигналу проводять по часу. Реальній величині ставлять у відповідність певне значення амплітуди сигналу, яке він приймає в моменти квантування.

При широтно-імпульсному сигналі амплітуда залишається сталою, а змінюється тільки тривалість відповідного квантуючого імпульсу.

ФІМ – модуляція релейного типу. Частота появи сигналів змінюється і залежить від амплітуди.

Ці методи перетворення аналогових сигналів у дискретні використовуються для цифрової обробки та аналізу інформаційних повідомлень і забезпечуються з допомогою пристроїв, що називаються аналого-цифровими перетворювачами.

Перевагою аналогового представлення сигналу є вища швидкодія і вища точність відтворення інформації. Разом з тим цифрові пристрої, володіючи меншою швидкодією, дозволяють підвищити точність обробки сигналів за рахунок тактової частоти та збільшення об'ємів запам'ятовуючих пристроїв, що дозволяють організовувати паралельну обробку інформації.

Обидві системи базуються на однаковій елементній базі, тобто напівпровідникових приладах та інтегральних схемах. Відрізняються режимами ввімкнення і роботи цих пристроїв.

1. Елементна база аналогової та цифрової електроніки 1.1 Фізичні основи будови напівпровідникових приладів

Напівпровідникові прилади виготовляються на основі напівпровідників різного типу провідності. Основою всіх приладів є контакти матеріалів n- та p-типу провідності або контакти метал-напівпровідник, що володіють односторонніми провідностями.

Принцип формування активних структур можна пояснити з допомогою зонних діаграм. Як відомо зонна структура утворюється внаслідок розщеплення валентних рівнів та рівнів провідності при конденсації атомів і утворенні конденсованих середовищ або твердих тіл.

На шкалі енергій за рівень валентної зони приймають найвище значення енергії, якою володіє електрон, що взаємодіє зі своїм ядром атома і приймає участь в утворенні зв'язку.

Зона провідності знизу обмежена рівнем енергії, мінімальне значення якої необхідне носію заряду, щоб подолати сили потенціальної взаємодії з ядром атома. Процес набування носієм заряду енергії, достатньої для переходу з валентного на рівень провідності, називається генерацією електронно-діркової пари. При цьому умовно вважають, що на найвищих валентних рівнях утворюється вакансія в хімічному зв'язку, що може забезпечити протікання струму додатно заряджених носіїв, а на рівні провідності – вільних електронів.

Середнє значення енергії, що відповідає цьому процесу генерації, називається рівнем Фермі, який розміщується посередині забороненої зони Eg у власному напівпровіднику. Наявність в основному матеріалі (Si, Ge) домішок називають процесом легування, а напівпровідник – домішковим. Внесення атомів з V групи супроводжується збільшенням носіїв у зоні провідності і зсувом рівня Фермі вище середини забороненої зони. Такі напівпровідники називають матеріалами n-типу. При наявності акцепторів одержуємо матеріали р-типу і зсув рівня Фермі до валентної зони. Сильно леговані матеріали, в яких рівень Фермі зміщений, називаються виродженими.

1.2 Напівпровідникові діоди

Основою напівпровідникових діодів є р-n переходи та контакти метал-напівпровідник. В світлочутливих приладах – гетеропереходи, складаються з матеріалів одного типу провідності, але різного рівня легування.

Електронним р-n переходом називають границю розділу двох напівпровідників різного типу провідності збіднену основними носіями заряду.

При формуванні електронного переходу внаслідок наявності незаповнених хімічних зв'язків в матеріалах р-типу і надлишку носіїв, незв'язаних у хімічних зв'язках в n-типі, електрони з n-області дифундують в р-область, заповнюючи ковалентні зв'язки. В приконтактних областях утворюються нескомпенсовані об'ємні заряди, має місце внутрішнє електричне поле. Це поле протидіятиме протіканню носіїв через границю розділу в наступний момент часу, і воно формує контактну різницю потенціалів.

 

На зонній діаграмі спостерігається перепад потенціалу n та р областей. Прикладання зовнішньої напруги приводить до порушення рівноважного стану і зменшення контактної різниці потенціалів, якщо зовнішнє поле протидіє внутрішньому (до р++, до n--), і збільшення контактної різниці потенціалів, якщо зовнішнє поле спів напрямлене з внутрішнім.

Струм через р-n перехід описується співвідношенням:

,

де IS – струм теплової генерації носіїв. Це незначний фоновий струм високоенергетичних носіїв, який має місце при додатній та при від'ємній напрузі прикладеній до переходу.

Його називають струмом насичення зворотної вітки ВАХ. Це видно з ВАХ, коли U<0, то е<<1, тобто I = IS.

При U>0, e>>1, струм зростає за логарифмічним законом.

При значних зворотних напругах можливе тонелювання носіїв із зони провідності у валентну зону р-кристалу. Це явище називають пробоєм. Воно супроводжується значним зростанням зворотного струму.

Якщо зворотні струми є достатньо великими і призводять до виділення енергії, що супроводжується зміною кристалічної структури ОПЗ, то пробій називається тепловим і є незворотнім.

У випадку значної концентрації легованих домішок та наявності дефектів можливий пробій, що супроводжується лавинним помноженням носіїв в ОПЗ. Він є зворотнім і використовується в роботі стабілітронів – пристроїв для стабілізації напруги.

При наявності дефектів можливий польовий або зінеровський пробій, ВАХ якого має вигляд ламаної лінії.

Тунельні діоди – пристрої, створені на основі вироджених або тунельних напівпровідників.

ВАХ тунельного діоду має N- подібний вигляд при накладанні тунельної складової і надбар'єрної складової. Це явище називають тунельним ефектом, воно має місце при прямих напругах. Аналогічний ефект тунелювання при зворотних напругах називається тунельним пробоєм.

Розділений заряд в ОПЗ переходу можна розглядати як конденсаторну систему. При прикладанні зовнішньої зворотної напруги до р-n переходу змінюється глибина проникання поля ОПЗ, тобто товщина ОПЗ. Це приводить до зміни бар'єрної ємності Сб. такі прилади, де використовується зміна Сб, називаються варікапами. Вони використовуються в колах резонансного типу для коректування резонансної частоти.

1.3 Біполярний транзистор

Біполярними транзисторами називаються електронні прилади, що складаються з двох взаємодіючих р-n переходів.

Конструктивно їх виготовляють в дискретному вигляді на основі кристалу n або р типу провідності, до якого з однієї сторони вплавляють емітерну область з підвищеним рівнем легування, а з іншої – колекторну, більшу за площею за кристал і з меншим рівнем легування. В планарному варіанті всі області виготовляють шляхом дифузійного легування з послідовною перекомпенсацією типу провідності.

Обов'язковою умовою працездатності транзистора є мала ширина базової області порівняно з довжиною вільного пробігу носіїв заряду, який інжектується з емітера в базу.

Умовне позначення транзистора на схемі відображає його структуру:

Принцип дії біполярного транзистора

Основою роботи біполярного транзистора є взаємодія областей просторового заряду емітера та колектора при протіканні струму. Емітер ний перехід вмикається в прямому напрямку, колекторний – у зворотному. При накладанні прямої напруги між емітером і базою зростає кількість основних носіїв, що інжектуються в базову область і рекомбінують там з основними носіями бази. Вони створюють струм базового електроду і бази.

Оскільки концентрація носіїв в області емітера більша, то струм бази виходить на насичення. Надлишок інжектованих носіїв, маючи довжину вільного пробігу більшу за ширину бази, попадають в ОПЗ зворотно зміщеного колектора і екстрагуються в колекторну область. Тут вони взаємодіють з просторовим зарядом колекторного переходу, що приводить до зменшення потенціального бар'єру між колектором та базою, а відповідно до зростання колекторного струму.

Зменшення напруги емітер-база приводить до зворотних процесів.

Для транзистора справджується співвідношення:

Іе = Іб + Ік, Іб<<ІкIк.

Схеми ввімкнення біполярних транзисторів

Оскільки транзистор, маючи три виводи, може бути ввімкнений як чотириполюсник, то один з електродів має бути спільним для вхідного і вихідного кола.

Розрізняють схеми ввімкнення із загальним емітером, загальною базою і загальним колектором.

Схема із загальним емітером забезпечує підсилення сигналів за струмом, напругою і потужністю. Така схема має вхідний опір біля 100 Ом, а вихідний – близько 1 кОм.

Схема із загальною базою підсилює за напругою і потужністю і не підсилює за струмом.

Вхідний опір – ~ 10 Ом.

Вихідний опір – ~ 10 кОм.

Схема із загальним колектором ще називається емітерним повторювачем. Така схема є аналогічною до схеми із загальним емітером, але навантаження вмикається не в колекторне, а в емітерне поле. Схема підсилює за струмом і потужністю.

Вхідний опір – ~ 10 кОм.

Вихідний опір – ~ 1 Ом.

Для функціонування транзисторів і розрахунків режимів їх роботи використовують сімейства статичних вхідних і вихідних характеристик.

Оскільки у вхідному колі вмикається як правило емітер ний перехід, то до характеристики відповідної ВАХ прямо зміщеного р-n переходу. Ці характеристики вимірюють при різних значеннях напруги, прикладеної до вихідного кола.

ЗЕ Іб = f(Uбе)|Uке=const ; ЗБ Іе = f(Uеб)|Uкб=const .

Вихідні характеристики – це залежності вихідного струму від вихідної напруги, при постійному значенні вхідного струму.

Для трактування режимів роботи біполярного транзистора використовуються еквівалентні схеми. Основною є схема чотириполюсника, яка описується h-параметрами.

Н-параметри – це коефіцієнти, які вказують на зв'язок між реальними параметрами транзистора та його теоретичними еквівалентами.

h11=Uвх/Iвх – вхідний опір транзистора;

h12 = Uвх/Uвих – коефіцієнт зворотної передачі напруги;

h21 = Iвих/Iвх – коефіцієнт підсилення за струмом;

h22 = Iвих/Uвих – вихідна провідність.

Чотириполюсники – це пристрої, які мають два входи і два виходи.

Співвідношення між I та U на вході чотириполюсника можна задати за допомогою системи рівнянь. Якщо основними параметрами в системі рівнянь виступають провідності, то сама система називається системою з у-параметрами, якщо опори – то система із z-параметрами, коли параметри комбіновані, то використовують систему рівнянь з h-параметрами.

Система рівнянь для визначення h-параметрів:

- вхідний опір транзистора виміряний у режимі короткого замикання у вихідному колі.

- режим короткого замикання.

- режим холостого ходу.

- режим холостого ходу.

Еквівалентна схема транзистора як чотириполюсника, що описується системою h-параметрів.

Малосигнальна еквівалентна схема для транзистора, яка описує його підсилювальні властивості в режимі підсилення малих змінних сигналів.

Вона обов'язково включає джерело струму у вихідному колі і паразитну бар'єрну ємність колекторного переходу.

 - коефіцієнт підсилення транзистора у схемі із загальною базою. a ≈ 0.99.

 - коефіцієнт підсилення транзистора у схемі із загальним емітером.

- коефіцієнт підсилення транзистора у схемі із загальним колектором.

Класифікація та умовні позначення транзисторів

Згідно ДСТУ позначення транзисторів складаються з чотирьох букв буквоцифрового коду.

І група – це дві букви. Перша вказує на матеріал напівпровідника, К – кремній, Г – германій. Друга буква вказує тип транзистора, Т – біполярний, П – польовий.

Третя позначка – цифра, яка вказує на частотні властивості та потужність. 1,2,3 – малопотужні:

1 – низькочастотні з граничною частотою до 3 МГц.

2 – середньої частоти, 3-30 МГц.

3 – високочастотні, >30 МГц.

4,5,6 – середньої потужності, 0.3-0.5 Вт.

7,8,9 – потужні транзистори, >1.5 Вт.

Наступні дві цифри вказують на порядковий номер розробки. Остання буква вказує на групу приладів.

Режими роботи біполярних транзисторів

Розрізняють 4 режими роботи біполярного транзистора:

1.                активний режим, емітерний перехід ввімкнено у прямому напрямку, колекторний – у зворотному. Використовується в аналоговій електроніці.

2.                режим відсічки відповідає стану закритого транзистора, коли у вихідному колі не може протікати струм. Отримується, коли і емітерний, і колекторний переходи ввімкнені у зворотному напрямку.

3.                режим насичення, коли транзистор відкритий, обидва переходи у прямому напрямку.

4.                інверсний режим, коли емітер ний перехід вмикається у зворотному напрямку, колекторний – у прямому. Застосовується в електроніці інтегрально-інжекційної логіки.

MN – лінія статичного навантаження.

Перехід із режиму відсічки в режим насичення називається ключовим режимом.

1.4 Польові транзистори

Польові транзистори – це напівпровідникові прилади, підсилювальні властивості яких визначаються впливом потенціалу, прикладеного до керуючого електроду, а саме затвору, на протікання струму, зумовлене основними носіями заряду в каналі провідності між витоком і стоком.

За будовою розрізняють польові транзистори з керуючим переходом (р-n переходом або переходом метал-напівпровідник з бар'єром Шоткі) та транзистори з ізольованим затвором. Останні бувають з вбудованим та індукованим каналом провідності.

Принцип дії польового транзистора

На відміну від біполярних транзисторів регулювання струму у вихідному колі тут забезпечується не величиною струму вхідного кола, а потенціалом, прикладеним до керуючого електроду – затвору. Конструктивно польовий транзистор з керуючим переходом можна зобразити у вигляді кристалу, з протилежних кінців якого забезпечено створення омічних (невипрямлених) контактів до витокової і стокової областей, а в середній області кристалу вмонтовано керуючий р-n перехід або випрямлений контакт метал-напівпровідник.

Величина струму у вихідному колі, тобто струму стокового затвору визначається напругою Uсв та навантаженням і власним опором каналу провідності ввімкнених послідовно у вихідне коло.

Прикладання запірної напруги Uзв призводить до розширення області просторового заряду (ОПЗ) цього переходу (пунктир), а відповідно і до звуження каналу провідності. Зменшення поперечного перерізу каналу провідності призводить до збільшення його опору, а відповідно до зменшення стокового струму.

Кажуть, що такий транзистор може працювати тільки в режимі збіднення каналу провідності основними носіями заряду.

Для опису властивостей польових транзисторів використовують сімейства вихідних та перехідних характеристик і не використовують вхідні характеристики, що зумовлено великим вхідним опором транзистора. Вихідні характеристики – це залежності виду:

Будова і принцип дії транзисторів з керуючим переходом

Оскільки транзистор з керуючим переходом є нормально відкритим, тобто при нульовому потенціалі струм стоку максимальний, то перехід в режимі збіднення при закриванні каналу провідності відображає зменшення стокового струму на вихідних характеристиках.

Передаточні характеристики (стокозатворні):

Тоді ця характеристика буде мати місце при від'ємних значеннях U.

При Uзв відсічки канал зв'язку перекривається.

Для опису цих характеристик застосовуються наступні параметри:

1.                коефіцієнт підсилення сигналу за напругою:

2.                кривизна передаточної характеристики – це відношення приросту Іс до DUзв:

3.                вхідний диференційний опір каналу провідності:

Будова і принцип дії транзисторів з ізольованим затвором

З

В транзисторах з індукованим каналом з самого початку канал провідності не створюється, а створюються лише омічні контакти до витокової і стокової областей.

Приклад додавання потенціалу до затвору приводить до накопичення основних носіїв заряду в приповерхневій області напівпровідника під діелектриком, а відповідно до індукування (наведення) каналу провідності між витоком і стоком.

Відповідно такий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення каналу провідності основними носіями. На стокових (вхідних) характеристиках це відображається зростанням струму у вихідному колі.

Стокозатворні характеристики розміщуються в І квадранті і напруга відсічки Uзв.відс.>0.

Такий транзистор називається нормально закритим.

У транзистор з вбудованим каналом канал провідності створюється технологічно, тому він може працювати як у режимі збагачення, так і в режимі збіднення.

Вихідні та перехідні характеристики мають наступний вигляд:

Транзистори з ізольованим затвором характеризуються значно більшим опором, який може досягати 1010 – 1012 Ом.

Розрізняють три схеми ввімкнення польових транзисторів в електричне коло, як чотириполюсника.

Схема із загальним затвором відповідає схемі із загальною базою.

Схема із загальним витоком аналогічна схемі із загальним емітером.

Схема із загальним стоком (витоковий повторювач) є аналогічною до схеми із загальним колектором.

Для опису польових транзисторів в схемах використовують їх еквівалентні схеми.

Польові транзистори теоретично повинні були б володіти вищими граничними частотами, оскільки в них відсутні процеси інжекції та екстракції носіїв заряду, що мають місце в базі біполярних транзисторів, а струм каналу провідності зумовлений тільки одним типом носіїв. Однак на практиці цього не спостерігається, оскільки значний вплив мають паразитні ємності між затвором та стоковим і витоковим електродами і каналом провідності. Тому реально граничні частоти досягають десятків МГц, тоді як в біполярних структурах десятки ГГц.

На практиці вдалося реалізувати польові транзистори підвищеної потужності. Реалізовуються транзистори потужністю до 100 Вт.

2. Підсилювачі електричних сигналів 2.1 Принцип дії електронного підсилювача

Електронним підсилювачем називається пристрій, що забезпечує кероване перетворення енергії джерела постійного струму в енергію електричних коливань, що змінюється за законом зміни керуючого сигналу.

В електронних підсилювачах здійснюється модуляція напруги постійного джерела з допомогою керуючого сигналу.

Елементарний каскад підсилення можна зобразити у вигляді подільника напруги, що складається з лінійного навантаження і нелінійного керуючого елементу, в якості якого можна застосувати біполярний чи польовий транзистор.

Принцип дії підсилювача можна пояснити, використовуючи уявлення про перерозподіл напруги джерела живлення Eж між лінійним та нелінійним елементом.

Нехай опір транзистора на початку буде приблизно еквівалентний опору навантаження. Збільшення вхідного сигналу Uвх приводить до зменшення вихідного опору між емітером і колектором і в результаті потенціал колектора буде наближатись до нуля. Якщо Uвх зменшується, то вхідний опір транзистора безмежно зростає і потенціал колектора буде наближатись до потенціалу джерела живлення.

Таким чином коливання потенціалу колектора буде рівне половині напруги живлення, оскільки закон зміни потенціалу визначається законом зміни вхідного сигналу, то можна говорити про підсилення вхідних коливань, одержане на виході підсилювального каскаду.

2.2 Класифікація та основні характеристики і параметри підсилювальних каскадів

Підсилювальні каскади класифікують:

1.                за видом підсилювального сигналу: підсилювачі гармонічних сигналів; підсилювачі імпульсних сигналів.

В І випадку аналізуються періодичні сигнали, що змінюються за законами sin або cos.

В ІІ випадку сигнали, як періодичні, так і неперіодичні, можуть мати вигляд прямокутних, трикутних, трапецієвидних чи іншого виду імпульсів.