Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

U

аМ

t h -

д . М. БОГОМОЛОВ, В. Б. НИКИТИН

СУДОВАЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

1Г

МУРМ АНСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО, 1974

Г Л А В А I

С т а т и н е с н и е с в о й с т в а э л е к т р о н н ы х э л е м е н т о в

Любое устройство, содержащее электронные приборы, можно разделить на отдельные простейшие части — элементы, отличающиеся характером преобра­ зований, то есть видом входной и выходной величин и их зависимостью.

По виду преобразования элементы подразделяются на генераторные, усилительные и преобразующие.

В генераторных электронных элементах неэлектриче­ ская энергия какого-либо вида преобразуется в электри­ ческую. К генераторным электронным элементам отно­ сятся, например, полупроводниковые термоэлектриче­ ские генераторы и так называемые «солнечные батареи».

В усилительных элементах входной сигнал регулиру­ ет поток энергии, проходящий в выходную цепь элемента

от отдельного источника энергии, называемого источни­ ком питания.

В преобразующих элементах электрическая энергия одного рода тока преобразуется в электрическую энер­ гию другого рода тока (преобразователи электрической энергии) либо один физический параметр превращается в другой физический параметр (параметрические преоб­ разователи). К преобразователям электрической энергии относится большинство элементов электронной техники, к параметрическим — полупроводниковые термосопро­ тивления, полупроводниковые фотодиоды и фотосопро­ тивления, а также полупроводниковые сопротивления, чувствительные к давлению и механическому переме­ щению.

По виду схемы элементы могут быть подразделены на двухполюсники и четырехполюсники. Двухполюсники имеют один контур связи с другими элементами устрой­ ства, а четырехполюсники связаны с другими элемента­ ми схемы двумя цепями, одна из которых может рас­ сматриваться как входная, а другая как выходная.

3

§ 1. Статические свойства двухполюсных электронных элементов

У двухполюсников понятия входа и выхода, а также входного и выходного параметров отсутствуют. Их свой­ ства определяются вольт-амперными характеристика­ ми — зависимостями тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжения. Вольт-амперные характеристики любого электронного элемента не­ линейны.

В отличие от постоянного сопротивления обычных — линейныхдвухполюсников сопротивление нелинейных двухполюсников зависит от величиныпротекающего че­ рез них тока и может оцениваться интегральным и диф­

ференциальным значением (рис. 1).

Интегральное сопротивление двухполюсника в неко­ торой точке А представляет собой тангенс угла секущей

Дифференциальное сопротивление двухполюсника определяется как тангенс угла касательной акас к ха­ рактеристике в данной точке:

Характеристики двухполюсников, в основном, имеют нелинейности двух видов, которые можно условно на­ звать нелинейностью пробоя и нелинейностью насы­ щения.

Нелинейностью пробоя называют такую форму вольтамперной характеристики, при которой рост напряже­ ния сопровождается увеличением приращений тока (рис. 1, а). Нелинейностью насыщения называют форму вольт-амперной характеристики, при которой рост на­ пряжения сопровождается уменьшением приращений то­ ка (рис. 1, б).

Отношение относительного изменения напряжения к относительному изменению тока называется коэффи­ циентом нелинейности.

4

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика нелинейного двух полюсника:

а — нелинейность пробоя; б •— нелинейность насыщения

Коэффициент нелинейности может быть определен как отношение величины дифференциального сопротив­ ления к величине интегрального сопротивления:

При увеличении напряжения у элементов с нелиней­ ностью пробоя и интегральное, и дифференциальное соп­ ротивления падают, а коэффициент нелинейности стано­ вится меньше единицы.

У элементов с нелинейностью насыщения при увели­ чении напряжения интегральное и дифференциальное сопротивления растут, а коэффициент нелинейности ста­ новится больше единицы.

§ 2. Статические свойства четырехполюсных элементов

Статические свойства входной и выходной цепей че­ тырехполюсного элемента оцениваются с помощью вольт-амперных характеристик. По вольт-амперным ха­ рактеристикам входной и выходной цепей могут быть определены интегральные и дифференциальные значе­ ния входного и выходного сопротивлений элемента.

Кроме входной и выходной вольт-амперных характе­ ристик для четырехполюсника могут быть построены за­ висимости выходной величины от входной, и наоборот —■ входной величины от выходной. Эти зависимости назы­ ваются характеристиками прямой и обратной передачи соответственно. Поскольку электронные четырехполюс­ ники, как правило, являются необратимыми, характери­ стики прямой и обратной передачи у них существенно различны и не могут быть получены одна из другой пу­ тем поворота осей координат.

Наибольшее значение для анализа свойств электрон­ ного элемента имеет характеристика прямой передачи, называемая также статической переходной характери­ стикой. Тангенс угла наклона линейной статической пере­ ходной характеристики называется статическим коэффи­ циентом передачи:

6

В тех случаях, когда входная и выходная величины имеют одинаковую размерность, статический коэффици­ ент передачи может быть назван также статическим ко­ эффициентом усиления К. Если же размерность входной и выходной величин разная, то статический коэффициент передачи называется статическим коэффициентом пре­ образования 5 или крутизной преобразования. Иными словами, коэффициент преобразования 5 и коэффициент усиления К являются коэффициентами передачи и раз­ личаются лишь тем, что коэффициент преобразования — это размерный коэффициент передачи, а коэффициент усиления — безразмерный.

Если характеристика линейна, то коэффициент пере­ дачи может быть определен либо как тангенс угла акас

секущей, касательной и самой характеристики совпада­ ют (рис. 2).

У нелинейной характеристики наклон касательной в некоторой точке и наклон секущей, проходящей через эту же точку из начала координат, не одинаковы. Поэто­ му для оценки свойств элемента необходимо знать оба коэффициента передачи — и интегральный коэффициент передачи, определяемый как тангенс угла аСек наклона секущей к характеристике, и дифференциальный коэффи­

называется коэффициентом нестабильности элемента по входному параметру и характеризует чувствительность элемента к изменению входного параметра. Чем меньше этот коэффициент, тем меньше чувствительность элемен­ та к изменению входного параметра.

7

а

Рис. 2. Линейная и нелинейная статические характеристики:

а — линейная; б — нелинейная

Мерой нечувствительности элемента к изменению входного параметра является величина, обратная коэф­ фициенту нестабильности:

Эта величина называется коэффициентом стабилиза­ ции элемента по входному параметру. Чем больше этот коэффициент, тем больше нечувствительность элемента к изменению входного параметра.

Коэффициент стабилизации так же, как и коэффици­ ент нестабильности, равен единице, если статическая ха­ рактеристика линейна. И чем более она отклоняется от линейной, тем больше коэффициент нестабильности уменьшается, а коэффициент стабилизации увеличивает­ ся, либо наоборот, коэффициент нестабильности увеличи­ вается, а коэффициент стабилизации уменьшается. Таким образом, коэффициент нестабильности по входному па­ раметру и обратный ему коэффициент стабилизации по входному параметру являются мерой нелинейности ста­ тической характеристики элемента *.

Мерой нелинейности статической характеристики яв­ ляется также коэффициент нелинейности ■— величина относительного изменения крутизны характеристики:

Д-Авх. к

*Не следует смешивать понятия коэффициента нестабильности по входному параметру и коэффициента температурной нестабиль­

ности.

9