10.3. Схемы широтно-импульсной модуляции (шим) и аналого-цифрового преобразователя (ацп)

При ШИМ с заданной периодичностью формируются импульсы, длительность которых пропорциональна амплитуде входного сигнала. Принцип ШИМ часто используется при построении АЦП.

Рис. 10.13. Принцип ШИМ

Схемы ШИМ строят на основе одновибраторов путем замены времязадающей цепи на управляемые источники тока. Это обеспечивает высокую точность задания длительности импульса пропорционально величине U_ВХ.

Структурная схема АЦП приведена на рис. 10.14.

Рис. 10.14. Структурная схема АЦП

Напряжение U_ВХ подается на схему ШИМ, формирующей импульсы переменной длительности. На схеме «И» эти импульсы заполняются тактовой последовательностью с частотой f₀ и поступают на счетчик, формирующий двоичный изменяющийся код, зависящий от амплитуды входного напряжения. При каждом запуске схемы ШИМ содержимое счетчика переносится в регистр, а сам счетчик обнуляется.

Рассмотренный процесс иллюстрируется на рис. 10.15.

Рис. 10.15. Временные диаграммы работы схемы АЦП

Контрольные вопросы к лекции

1. На чем основана работа простейшего компаратора?

2. Какие недостатки и каким образом устраняет триггер Шмитта?

3. Чем определяется напряжение гистерезиса в триггере Шмитта?

4. Какое условие необходимо для обеспечения опрокидывания дискретной схемы триггера Шмитта?

5. За счет чего обеспечивается генерация колебаний в мультивибраторе?

6. За счет чего обеспечивается запуск и опрокидывание схемы одновибратора?

7. В чем заключается принцип ШИМ?

8. В чем заключается принцип работы схемы АЦП?

Лекция 11

11.1. Полевые транзисторы (пт)

11.1.1. Классификация пт

В отличие от биполярных транзисторов, ПТ имеют токопроводящий канал, управление которым осуществляется электрическим полем. При этом полностью открытый канал имеет сопротивление 20–100 Ом, а полностью закрытый – более 10–20 МОм.

Достоинства ПТ:

• высокое входное сопротивление;

• отличные ключевые свойства;

• низкий уровень собственных шумов.

Недостатки ПТ:

• чувствительность к статическому электричеству;

• разброс параметров в десятки раз больше, чем у биполярных транзисторов.

ПТ принято классифицировать следующим образом:

Рис. 11.1. Классификация ПТ

11.1.2. Пт с управляющим p-n-переходом

Данный вид ПТ имеет токопроводящий канал с проводимостью n- или р-типа, располагающийся между электродами, называемыми «исток» (И) и «сток» (С). Затвор (З) – электрод, управляющий током канала, – соединен с областью противоположной проводимости. Управление током канала осуществляется за счет явления электростатической индукции, которая проявляется при обратном смещении p-n-перехода и приводит к его расширению и перекрытию канала. Проводимость канала двусторонняя. Это означает, что исток и сток можно менять местами. Однако, как правило, током через канал (током стока) управляют, регулируя U_ЗИ.

Зависимость тока стока, текущего через токопроводящий канал, от напряжения затвор – исток при постоянном напряжении сток – исток: при U_СИ = const – называют стоково-затворной характеристикой.

Для n-канального транзистора при подаче напряжения отсечки U_ОТС = = U_ЗИ ≈ –4 В канал закроется, и ток через него течь не будет, а при напряжении U_ЗИ ≈ 0,5 В ток стока достигает насыщения. Для р-канального транзистора стоково-затворная характеристика имеет зеркально-симметричный вид.

n-канальные p-канальные

а

б

в

Рис. 11.2. Условное обозначение (а), структура (б) и стоково-затворные характеристики (в) ПТ с управляющим р-n-переходом

Зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при постоянном напряжении затвор – исток: при U_ЗИ = const – называют стоковой характеристикой. Напряжение U_ЗИ положительное для n-канального транзистора и отрицательное для р-канального транзистора. Стоковая характеристика имеет участок, близкий к линейному (при U_СИ < U_СИН), и участок насыщения (при U_СИ > U_СИН).

На линейном участке, увеличивая напряжение между стоком и истоком при постоянном напряжении на затворе, добиваемся увеличения тока, текущего через канал. При дальнейшем росте U_С происходит увеличение обратного смещения p-n-перехода из-за роста напряжения U_СЗ при U_ЗИ = const. Это приводит к перекрытию канала в области стока и прекращению роста тока через него.

Рис. 11.3. Пример стоковой характеристики ПТ с управляющим р-n-переходом: I_CH – ток стока насыщения; U_СИН – напряжение сток – исток насыщения

Транзистору с управляющим p-n-переходом присущ недостаток: существует обратная проводимость p-n-перехода, создающая ток через затвор при достижении напряжения отсечки. Обратный ток в цепи затвора ухудшает ключевые свойства, входное сопротивление определяется сопротивлением обратно смещенного p-n-перехода и зависит от полярности напряжения, подаваемого на затвор.

11.1.3. МОП-транзистор с индуцированным каналом

МОП-транзистор с индуцированным каналом имеет подложку с зонами противоположной проводимости для стока и истока, перекрытыми тонким слоем диэлектрика (SiO₂), на котором установлен затвор.

Для n-канального МОП-транзистора при приложении положительного напряжения U_ЗИ вблизи затвора индуцируется токопроводящий канал n-типа. Образование канала можно объяснить, исходя из того, что электроны – неосновные носители заряда – из подложки «притягиваются» к положительному потенциалу затвора, образуя область проводимости n-типа.

Для р-канального МОП-транзистора канал р-типа индуцируется при подаче на электроды напряжений противоположных полярностей по отношению к транзистору n-типа.

Подложка транзистора обычно соединена с истоком или, если предусмотрен ее отдельный вывод, может подключаться к источнику напряжения ниже (выше), чем напряжение истока n-канального (р-канального) транзистора. При подаче такого дополнительного напряжения на подложку относительно истока она начинает действовать как дополнительный затвор, уменьшающий ток стока.

Стоковые характеристики МОП-транзисторов с индуцированным каналом аналогичны стоковым характеристикам ПТ с управляющим p-n-переходом.

МОП n-канальный транзистор

МОП p-канальный транзистор

Рис. 11.4. МОП-транзисторы: условное обозначение, структура и стоково-затворные характеристики

Основным достоинством МОП-транзисторов является их высокое входное сопротивление (ток через изолированный затвор практически не течет).

Общим недостатком МОП-транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству (выходят из строя при напряжении U_ЗИ > 20 В).

Недостаток МОП-транзисторов с индуцированным каналом заключается в необходимости работы с напряжением одной определенной полярности.

11.1.4. МОП-транзисторы со встроенным каналом

МОП-транзистор со встроенным каналом отличается от МОП-тран-зистора с индуцированным каналом лишь тем, что зоны истока и стока соединены токопроводящим каналом, содержащим некоторое количество основных носителей, соответствующих этим зонам. Наиболее часто встречаются транзисторы со встроенным каналом n-типа. В МОП-транзисторе со встроенным каналом на затвор может подаваться напряжение обеих полярностей. При подаче положительного напряжения электроны «втягиваются» в n-канал, тем самым обогащая его основными носителями заряда (режим обогащения). При подаче отрицательного напряжения электроны из канала «выталкиваются» в подложку, тем самым канал будет обедняться основными носителями заряда (режим обеднения).

Рис. 11.5. Структура МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа

Стоково-затворные характеристики такого транзистора смещены по горизонтальной оси и располагаются в районе нулевых значений U_ЗИ.

Рис. 11.6. Стоково-затворная характеристика МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа (U_ЗИН – напряжение затвор – исток насыщения)

Стоковые характеристики отличаются только наличием значений ±U_ЗИ.

Рис. 11.7. Стоковая характеристика МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа