3DNews Технологии и рынок IT. Новости разработка и производство электроники Учёные представили революционный транзис… 25.12.2021 [13:00], Геннадий Детинич Учёные сделали шаг в интересном направлении в производстве полупроводников — они разработали динамически программируемый транзистор, который один может реализовать такую многокомпонентную логику, как NOR, NAND и другую. Предложенный транзистор легко ложится на существующую инфраструктуру производства и не использует экзотические материалы. Особенный выигрыш от его использования ожидается в сфере искусственного интеллекта. Источник изображения: ACS Nano Обычный транзистор состоит из двух электродов для токопроводящего канала и ещё одного электрода для управления каналом (затвором). Благодаря своим электронным свойствам германий демонстрирует эффект отрицательного дифференциального сопротивления. Это означает, что по мере увеличения напряжения на определённом участке ток перестаёт увеличиваться и образуется провал. Чем большее напряжение мы подаём на таком отрезке вольтамперной характеристики, тем меньше ток, что также можно использовать для переключения прибора (сигнала). Этот дополнительный металл-германиевый переход (в качестве металлических электродов использован алюминий) позволяет программировать транзистор на заданные пороговые напряжения переключения состояний. Подчеркнём, этот порог можно динамически устанавливать на заданном уровне — это фактически программирование транзистора на ряд последовательных логических операций вместо простого «включено» или «выключено». «До сих пор интеллект электроники возникал просто благодаря соединению нескольких транзисторов, каждый из которых обладал лишь довольно примитивной функциональностью. В будущем этот интеллект может быть перенесён на адаптивность самого нового транзистора, Данные по этой работе были опубликованы в издании ACS Nano и полностью доступны на сайте издания. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1056746/uchyonie-predstavili-revolyutsionniy-tranzistor-on-odin-zamenyaet-tselie-logicheskie-shemi Рубрики: Новости Hardware, нанотехнологии, на острие науки, разработка и производство электроники, Теги: транзисторы ← В прошлое В будущее → |
Управление затвором позволяет пропускать ток через транзистор или запирать его. На этом принципе базируется практически вся современная цифровая электроника. Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) предложили добавить в структуру транзистора два дополнительных электрода и соединить их тончайшей нитью из чистого германия (Ge). И это принесло успех.
Схемы включения транзистора как усилителя электрических сигналов
Одна
из основных областей применения
биполярного транзистора — усиление
электрических сигналов.
Для использования
транзистора в качестве усилителя
напряжения, тока или мощности входной
сигнал, который надо усилить, подают на
два каких-либо электрода, и с двух
электродов схемы снимают усиленный
сигнал. В усилительных схемах биполярные
транзисторы работают в активном режиме,
напряжения на их выводах содержат
постоянную и переменную составляющие.
Схема включения транзистора с общей базой
Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов приведена на рис. 6.15. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь эмиттера, сопротивление нагрузки Rн – в цепь коллектора.
Рис. 6.15. Схема включения транзистора с общей базой
как усилителя сигналов
Схема включения транзистора с общим эмиттером
Схема
включения транзистора с общим эмиттером
как усилителя сигналов приведена на
рис. 6.16. Источник сигнала (ИС) в этой
схеме включается в цепь базы, сопротивление
нагрузки Rн – в цепь коллектора.
Рис. 6.16. Схема включения транзистора с общим эмиттером
Схема включения транзистnора с общим коллектором
Схема
включения транзистора с общим коллектором
как усилителя сигналов приведена на
рис. 6.17. Источник сигнала (ИС) в этой
схеме включается в цепь базы, сопротивление
нагрузки R
Рис. 6.17. Схема включения транзистора с общим коллектором
Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора.
Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току kI, напряжению kU, мощности kP и значением сопротивлений входной Rвх и выходной Rвых цепей.
Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:
(6.
10) (6.13)
(6.11) (6.14)
; (6.12)
Значения параметров можно представить в виде таблицы (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Параметры основных схем включения транзисторов
Параметры | Схема с общей базой | Схема с общим эмиттером | Схема с общим коллектором |
Rвх | Единицы – десятки Ом | Сотни Ом – единицы кОм | Десятки – сотни кОм |
Сотни кОм –единицы МОм | Единицы – десятки кОм | Сотни Ом – единицы кОм | |
kI | Немного меньше 1 ( = 0,92-0,999) | Десятки – сотни ( = 10-1000) | Десятки – сотни |
kU | Десятки – сотни | Десятки – сотни | Немного меньше 1 |
kP | Десятки – сотни | Десятки – сотни тысяч | Десятки – сотни |
и Spice
В недавнем посте мы рассмотрели основы симуляторов схем Spice.
В большинстве симуляций схем используются транзисторы либо в виде дискретных компонентов, либо в составе интегральной схемы. Поэтому полезно понять несколько основ того, как Spice моделирует транзисторы.
Транзисторы могут иметь несколько состояний, обычно насыщение, отсечка, активное состояние и обратное. А у транзисторов есть рабочая точка или точка покоя, которая определяется смещением постоянного тока. Пока рабочая точка находится в определенной рабочей области, транзистор будет работать так, как определено в этом конкретном состоянии. Но если рабочая точка переходит в другую область, работа транзистора меняется.
Модели транзисторов разработаны для определения диапазонов для этих областей и для выбора наилучшей или оптимальной рабочей точки или точки покоя (Q), вокруг которой можно поддерживать работу.
Обычно существует два класса моделей транзисторов. Модели с большим сигналом используются для определения смещения транзистора по постоянному току в зависимости от его конфигурации.
Например, биполярные переходные транзисторы (BJT) имеют три конфигурации синфазного сигнала:
In с общим эмиттером , постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от базы к эмиттеру. Сигнал переменного тока подается на базу, а выход снимается с коллектора. В цепях с общей базой постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от коллектора к базе. Входной сигнал переменного тока подается на эмиттер, а выходной сигнал снимается с коллектора. В цепях с общим коллектором постоянный ток течет от базы к коллектору и от коллектора к эмиттеру. Входной сигнал переменного тока подается на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера.
Общий эмиттер является наиболее часто используемой из трех элементарных конфигураций. Важной характеристикой является то, что он инвертирует выход по отношению к входу, эффект, который устраняется, если имеется четное количество инвертирующих каскадов.
Цепи с общим эмиттером подвержены двум распространенным проблемам, обе из которых можно устранить с помощью надлежащей конструкции схемы.
Одна из трудностей заключается в том, что в конфигурации с общим эмиттером усилитель может иметь высокий коэффициент усиления, который имеет тенденцию быть непредсказуемым из-за производственных вариаций, температуры и тока смещения. Автоматическое усиление может позаботиться об изменениях, но вместе с ними транзистор в конфигурации с общим эмиттером может перейти в режим отсечки или генерации, а на выходе может наблюдаться отсечение.
Дополнительные трудности включают низкий входной динамический диапазон и высокие искажения. Эти проблемы, однако, можно решить с помощью вырождения эмиттера, преднамеренно реализованного путем размещения резистора между эмиттером и общим источником сигнала, который часто подключается к земле или к одной из шин питания. (Общепринятой практикой является повышение стабильности за счет уменьшения коэффициента усиления.)
Усилитель с общим эмиттером часто имеет узкую полосу пропускания из-за эффекта Миллера, который применяется в инвертирующих усилителях.
Любая паразитная емкость база-коллектор проявляется как более высокая емкость между базой и землей. Эффект Миллера также можно минимизировать, используя эмиттерное вырождение. Другая хитрость заключается в уменьшении выходного сопротивления источника сигнала, подключенного к базе.
Обычные излучатели часто используются в качестве малошумящих усилителей в радиокоммуникациях, таких как спутниковые тарелки для телевидения и доступа в Интернет, медицинские приборы и испытательное оборудование для электроники, которые часто должны работать с минимальным уровнем шума.
Конфигурация с общим коллектором также называется эмиттерным повторителем. Он часто используется в качестве буфера напряжения. Здесь база подключается к входу, а эмиттер подключается к выходу путем привязки к земле или к одной из шин питания.
Метка эмиттерного повторителя происходит от того факта, что выход схемы выводится из эмиттерного резистора. Следовательно, это устройство часто применяется в качестве схемы согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление выше, чем выходное сопротивление.
В сочетании с логическими элементами он широко используется в цифровых схемах.
Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя примерно на 0,6 В ниже базы, транзистор с общим коллектором считается эмиттерным повторителем. Он используется для согласования усиления по току и импеданса, а не обычного усиления по напряжению. Как и в схеме с общим эмиттером, входное сопротивление значительно превышает выходное сопротивление.
Конфигурация с общей базой часто используется в качестве буфера тока или усилителя напряжения. Вход схемы подается на клемму эмиттера, а коллектор является выходом. Поскольку база подключается к земле, она является общей для входа и выхода. Конфигурация с общей базой используется реже по сравнению с двумя другими конфигурациями из-за низкого входного импеданса и высокого выходного импеданса, которые обычно нежелательны. Однако это наблюдается в высокочастотных приложениях, потому что база разделяет вход и выход, сводя к минимуму колебания.
Инверсия фаз между эмиттером и коллектором в конфигурации с общей базой отсутствует, поэтому входные и выходные сигналы совпадают по фазе, а усилитель не инвертирует. Одной из причин ограниченного применения усилителя с общей базой является его низкое входное сопротивление. Выход с общей базой может быть высоким, поэтому он называется буфером тока или повторителем тока. Обычно усилитель с общей базой имеет коэффициент усиления по току (альфа), близкий к единице. Однако коэффициент усиления по напряжению может составлять от 100 до 2000. Все зависит от резисторов смещения.
Модели малых сигналов используются после определения модели больших сигналов. Когда на транзистор подается слабый сигнал, рабочая точка смещается от точки смещения по кривой ВАХ в зависимости от амплитуды приложенного сигнала. Схема обычно устроена таким образом, что это отклонение от рабочей точки по постоянному току приводит к изменению режима работы транзистора, например, переходу из активной области в отсечку.
Модели малых сигналов обычно представляют собой конструкции с двумя портами и, как правило, содержат либо H-параметры, либо гибридную пи-модель, либо Т-модель. Параметры H (или гибридные) используют параметры Z (или импеданса/разомкнутой цепи), параметры Y (адмиттивность/короткое замыкание), коэффициент напряжения и коэффициент тока для представления отношения между напряжением и током в двухпортовой сети. Параметры H помогают описать качество ввода-вывода схем, где трудно измерить параметры Z или Y (например, в транзисторе). Модель Hybrid-pi (также называемая Giacoletto) представляет BJT с использованием напряжения базы-эмиттера слабого сигнала и напряжения коллектор-эмиттер в качестве независимых переменных, а тока базы слабого сигнала и тока коллектора в качестве зависимых переменных. В T-моделях или моделях передачи используются отношения, аналогичные отношениям гибридных пи-моделей, но обычно устроенные по-другому. Преобразование одного параметра типа в другой, как правило, выполняется просто с помощью манипуляций с матричной алгеброй.
Типичная модель силового полевого МОП-транзистора с паразитными элементами. Индуктивность обычно возникает из-за проводных соединений с корпусом. Паразитные емкости обычно возникают из-за особенностей геометрии самого полупроводника. Анализ транзисторов как при сильном, так и при слабом сигнале требует выбора модели, указания известных или фиксированных значений и математического решения уравнений для неизвестных параметров. Современные схемы, однако, обычно работают на скоростях, достаточно высоких, чтобы требовать учета паразитных элементов схемы. Правильная программа Spice может повысить точность моделей транзисторов за счет включения внутренних емкостей, сопротивлений, вариаций коэффициента усиления и так далее.
Проблема, однако, заключается в том, что паразитные элементы не могут быть четко определены, особенно для современных транзисторов, таких как силовые устройства на основе GaN или SiC, и еще более особенно при переключении на высоких скоростях. Паразитные индуктивности в силовых устройствах, например, часто возникают в основном из-за проволочных соединений между самим полупроводником и его корпусом.
Производители устройств продолжают экспериментировать с вариантами упаковки, чтобы уменьшить такие паразитные эффекты, но, поскольку эти усилия продолжаются, паразитные модели в Spice могут не отражать значения, наблюдаемые в реальных устройствах. Следовательно, может потребоваться значительное количество экспериментов, чтобы точно охарактеризовать паразитные характеристики современных полупроводников.
Транзисторный переключатель NPN или конструктор линейных цепей |
Перейти к содержимому
Еще один классный инструмент, которым я с вами поделюсь, — транзисторный NPN-переключатель или конструктор линейных схем (скачайте этот инструмент здесь бесплатно). Судя по названию, этот инструмент может рассчитывать как линейные, так и коммутационные схемы. Все, что вам нужно сделать, это заполнить необходимые поля, а шаблон сделает это за вас. При проектировании длинных схем анализ транзистора, работающего в линейной области, отличается от анализа в области насыщения.
В линейном режиме бета устройства является фактором анализа, в то время как при насыщении доминирует бета схемы. Есть два способа определить работу транзисторной схемы, будь то линейная или коммутационная. Первый заключается в том, чтобы предположить, что схема находится в состоянии насыщения, затем вычислить максимальную бета-версию схемы, а затем сравнить результат с минимальной бета-версией устройства. Если бета схемы ниже, чем минимальная бета устройства, предположение верно. Действительно, транзистор насыщается. Если бета схемы больше, чем бета устройства, схема работает в линейном режиме.
Другой метод состоит в том, чтобы считать схему линейной. Вычислите для схемы минимальное напряжение коллектор-эмиттер (VCE), затем сравните его с максимальным напряжением насыщения коллектор-эмиттер транзистора. Если первое выше второго, то предположение верно. Транзистор работает в линейной области. В противном случае схема работает в режиме насыщения (режим переключения).
Эти два метода оценки интегрированы в шаблон, так что больше не беспокойтесь.
Шаблон может определить, работает ли схема в линейном режиме или в режиме насыщения.
Транзисторный переключатель NPN или конструктор линейных цепей — приложение
Шаблон разработан с использованием Excel. Excel является очень распространенным офисным приложением, поэтому вы можете проектировать свою схему даже без использования симуляторов схем. Если у вас есть симуляторы цепей, вы можете использовать этот инструмент в качестве дополнения, поскольку он также способен вычислять значения тока в цепи в наихудшем случае. Для тех, кто привык проектировать с помощью длинных вычислений, это инструмент для ускорения вашей задачи. Инструмент проверен реальными результатами схем, симуляциями и длительными ручными вычислениями. Это даст точный результат, поскольку вы ввели в него значения. Это всего лишь инструмент, поэтому результат будет зависеть от ваших входных данных. Предположим, вы сравниваете его с симуляцией, в которой вы используете устройство BC817-25, токи могут отличаться от результатов инструмента, если вы не вводите в инструмент ту же бету, что и реальная бета в симуляции.
Схема цепи
Ниже приведена применимая схема шаблона/инструмента. Как видите, схема стандартная. Если нет Rc, инструмент можно использовать. если нет Re, все равно инструмент можно использовать. если нет Rb2, инструмент можно использовать. Он очень гибкий. В случае, если значение Rc отсутствует, просто сделайте значение очень маленьким, но не обнуляйте его, чтобы избежать «ошибки вычислений». Точно так же, если для Re нет значения, просто сделайте его очень маленьким, но не равным нулю. В случае, если Rb2 отсутствует в вашей реальной схеме, просто сделайте его очень большим, чтобы имитировать разомкнутую цепь.
Пользовательский интерфейс
Ниже приведен снимок полей ввода.
Ниже приведен снимок полей вывода.
Транзисторный переключатель NPN или конструктор линейных цепей – Возможности
Инструмент может вычислять следующее:
1. Номинальный, минимальный и максимальный базовые токи 2.
