Файл: Первый билет.docx

Операционными усилителями (ОУ) называется широкий класс усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенных для работы с глубокой обратной связью.

ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада, включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления Ku, достигающая 10⁶ раз.

Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения.

Схемы всех трех перечисленных вариантов включения.




Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знаком «-» или обозначен кружком

Идеальным ОУ называется усилитель, обладающий очень высокими или, как принято говорить, идеальными параметрами. Основные характеристики такого ОУ:

коэффициент усиления бесконечно велик (К → ∞); полоса пропускания бесконечно велика (∆???? → ∞); входное сопротивление бесконечно велико (Rвх → ∞); выходное сопротивление бесконечно мало (Rвых → 0);

выходное напряжение равно нулю при нулевом напряжении на входе.

Коэффициент усиления ОУ определяется отношением изменения входного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между дифференциальными входами усилителя при разомкнутой цепи обратной связи. Коэффициент усиления ОУ без обратной связи зависит от сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения питания и

---

др.

Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала в ОУ с дифференциальными входами различают дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление для синфазных сигналов. Дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление ОУ для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами ОУ, определяется величиной сопротивления между этими входами. Входное сопротивление для синфазного сигнала, т. е. сопротивление ОУ для входного напряжения, приложенного одновременно к обоим дифференциальным входам ОУ относительно земли, определяется сопротивлением между замкнутыми накоротко входами ОУ и заземляющей шиной.

Выходное сопротивление – это сопротивление ОУ, измеренное со стороны подключения нагрузки. Величина выходного сопротивления определяет максимальную силу выходного тока независимо от вида нагрузки. Этот параметр особенно важен для ОУ с разомкнутым контуром обратной связи, например для компараторов.

Полоса пропускания определяется видом частотной характеристики ОУ, т. е. зависимостью его усиления от частоты входного сигнала. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой fпр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления.

---

Девятый билет

9. Электрический и тепловой пробой в контактах и структурах.

Пробоемназывается резкое возрастание тока в диэлектрике или обеднённом полупроводнике при достижении напряжения на таких слоях

значения напряженияпробояU_пр [2, 3, 6]. В допробойном состоянии, при |U| < |U_пр|, ток ничтожен, так как создаётся движением ничтожного количества подвижных носителей.

Электрический пробой диэлектрического или обеднённого слоя возникает при превышении в нём напряжённости поля некоторой критической напряжённости Е_кр. При этом напряжение не обязательно большое, так как напряженность поля Е ≈ U/w будет большой и при малых напряжениях, если мала толщина слоя w.

Типичным электрическим пробоем является лавинныйпробой. При таком пробое сильное электрическое поле разгоняет свободные электроны до столь значительной скорости, что их кинетической энергии при соударениях с атомами диэлектрика или обеднённого полупроводника хватает для превращения валентных электронов атомов в свободные. Появляются новые свободные электроны, которые также разгоняются электрическим полем и соударяются с атомами. Концентрация свободных электронов и ток резко возрастают.

Лавинный пробой считается обратимым, так как он исчезает при уменьшении напряжения на обеднённом слое.

Тепловой пробой возникает, как правило, вслед за лавинным. Возросший при лавинном пробое ток увеличивает количество выделяющегося тепла, температура материала возрастает. В результате (если отводимая

---

от материала мощность меньше рассеиваемой) усиливается термогенерация подвижных носителей, растёт их концентрация, ток становится ещё больше, температура ещё выше и т.д. Перегрев слоя приводит к его разрушению, поэтому тепловой пробой считается необратимым.

При лавинном пробое исчезает главное полезное свойство диэлектрического или обеднённого слоёв – низкая электропроводность, при тепловом эти слои вообще разрушаются.

24. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов. Частотные характеристики.

Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналовна различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их амплитудно-частотнымиили фазо-частотнымихарактеристиками(АЧХ или ФЧХ).

В качестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис.

43. Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющуюнапряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора.

Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплекснойкрутизны S:

S = I_с / U_зи = S₀ / (1 + jω/ω_s ), (47) где S₀ – крутизна при ω = 0, ω_s – предельнаячастотакрутизны.

Из (47) можно получить выражения

---

для модуля и фазы комплексной крутизны, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

|S| = S₀ / (1 + [ω/ω_s]²)^1/2, (48) φ = - arctg ω/ω_s (49)

Согласно (48), при ω = ω_s, |S| = S₀ /√2. В графическом виде АЧХ и ФЧХ МДП транзистора изображены на рис. 46а.



а) б)

Рис. 46

ω_s даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общимэмиттеромβ:

β = I_к / I_б = β₀ / (1 + jω/ω_β) (50)

где β₀ – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при ω = 0, ω_β – предельная частота коэффициента передачи токав схемесОЭ.

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

|β| = β₀ / (1 + [ω/ω_β]²)^1/2 (51), φ = - arctg(ω/ω_β) (52) АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ω_гр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются

---