Выбор, обоснование выбора типа элементов и расчёт их номинальных значений для узла кусочно-линейного аппроксиматора

Выбор, обоснование выбора типа элементов и расчёт их номинальных значений для узла кусочно-линейного аппроксиматора

Введение

Полупроводниковая электроника представляет собой обширную область науки и техники, охватывающую большой круг вопросов получения и исследования полупроводниковых материалов, проектирования и производства полупроводниковых приборов и  интегральных микросхем, а также построения   устройств и систем на их основе. Изделия полупроводниковой электроники   образуют элементную базу современной вычислительной техники, автоматики, радиоэлектроники и силовой полупроводниковой преобразовательной техники. Успехи технологии полупроводниковых приборов в начале 60-х годов способствовали созданию интегральных микросхем, объединяющих в одном полупроводниковом кристалле десятки, сотни и тысячи элементарных полупроводниковых приборов: диодов, резисторов, биполярных и полевых транзисторов. Создание интегральных микросхем позволило резко повысить надежность, снизить массу, габариты и потребление мощности электронно-вычислительной аппаратуры, повысить ее быстродействие и функциональные возможности. Большим достижением микроэлектроники явилось создание в начале 70-х годов микропроцессоров на базе больших интегральных микросхем (БИС) — надежных, дешевых и производительных вычислительных систем, изготовленных в одном полупроводниковом кристалле и выполняющих все функции электронной вычислительной машины. Наряду с интегральными микросхемами  выпускается большое количество дискретных полупроводниковых приборов. К ним прежде всего относятся маломощные и мощные диоды, транзисторы, тиристоры, всевозможные полупроводниковые датчики и преобразователи энергии: солнечные батареи и полупроводниковые термоэлектрические устройства.

Представление о полупроводниках как об особом классе веществ возникло в начале 30-х годов в связи с появлением квантовой теории твердого тела. Однако уникальные физические свойства этих материалов использовались в приборах еще в конце прошлого века. Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. А. С. Поповым. При изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых структур.

В 20-е годы 20-го столетия О. В. Лосев экспериментально доказал существование некоторого «активного» слоя в детектирующем контакте, обладающего вентильными свойствами, которые теперь объясняются наличием p—n перехода. Еще в 1923 г. он обнаружил в этом слое явление люминесценции, которое теперь широко применяется в светоизлучающих диодах и полупроводниковых лазерах. Он был первым, кто обнаружил и использовал наличие отрицательного дифференциального сопротивления точечной концентрации радиосигналов. Широкое и систематическое исследование свойств полупроводников было начато в 30-е годы. Именно в этот период были разработаны основы физики полупроводников, открыты наиболее важные эффекты в полупроводниках, на основе которых работают современные полупроводниковые приборы. При разработке теории выпрямления на границе двух полупроводников разного типа электропроводности (электронной и дырочной) Б. И. Давыдов в 1938 г. установил важную роль неосновных носителей заряда в   образовании тока. В 1940—1941 гг. В. К. Лошкаревым и его сотрудниками  экспериментально была подтверждена диффузионная теория выпрямления на p—n переходе. В 1940 г. был изготовлен первый точечный диод. В 1948 г. американские физики Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли    предложили, а затем изготовили точечно-контактный транзистор. У. Шокли разработал теорию плоскостного транзистора. В 1952 г. были созданы первые промышленные образцы плоскостных транзисторов, получивших в дальнейшем широкое распространение. Тогда же У. Шокли предложил полевой транзистор с управляющим p—n переходом.

Одновременно с разработкой приборов новых типов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления. В первой половине 50-х годов был разработан процесс диффузии примесей в полупроводниковые материалы, и в 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии. Важным достижением стало появление в начале 60-х годов планарного процесса. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой подложки и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили осуществлять прецизионный контроль за размерами элементов полупроводниковой структуры. Наряду с этим в 1960 г. был разработан еще один из важнейших технологических процессов – эпитаксиальное наращивание слоев полупроводников требуемых толщины и электрических свойств на монокристаллической подложке.

По мере совершенствования технологии полупроводниковых приборов и с появлением планарной технологии наблюдалось быстрое освоение полупроводниковыми приборами диапазона СВЧ. В 60-е годы появились смесительные диоды с барьером Шотки, туннельные диоды, варикапы, СВЧ транзисторы. Эффект генерации когерентных СВЧ колебаний в p—n переходе при удар­ной ионизации, обнаруженный в 1959 г. А. С. Тагером и его со­трудниками, лег в основу нового типа приборов – лавинно-пролетных диодов. Достижения полупроводниковой электроники явились основой создания микроэлектроники. В 1961—1962 гг. появились первые биполярные интегральные микросхемы, а в 1964 г. — несложные интегральные микросхемы на полевых транзисторах. С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем. /1/

1. Общие сведения об узлах кусочно-линейных аппроксиматоров.

1.1 Устройства выборки и хранения аналогового сигнала

Устройства выборки и хранения (УВХ) аналогового сигнала находят достаточно широкое применение в электронной, и в ча­стности измерительной, аппаратуре, показателем чего является серийный выпуск таких устройств в виде отдельных интеграль­ных схем.

Простейшее УВХ показано на рис. 1, а. Оно содержит ключ, который обычно выполняется на основе МОП-транзи­стора, запоминающий конденсатор я повторитель напряжения, выполненный на ОУ. При замкнутом ключе конденсатор заря­жается до мгновенного значения Uвх происходит выборка. Ко­гда ключ размыкается, запомненное напряжение сохраняется на конденсаторе и присутствует на выходных зажимах устрой­ства.

Находит применение также УВХ, выполненное по схеме рис. 1, б. Когда ключ замкнут, цепь представляет собой сглажи­вающий инвертирующий усилитель. При этом происходит заряд конденсатора C с постоянной времени CR2 до уровня UвхR2/R1. При разомкнутом ключе запомненное на конденсаторе напря­жение поддерживается на выходе ОУ. В обоих УВХ, схемы которых показаны на рис. 1, а и б, нежелательный разряд конденсатора в период хранения происходит под действием входного тока ОУ и тока утечки закрытого ключа. Исходное же сопротивление ОУ вызывает подобный разряд в меньшей сте­пени, поскольку в обоих случаях ОУ охвачен глубокой отрица­тельной обратной связью.

Добавление в УВХ еще одного ОУ позволяет ускорить заряд конденсатора в процессе выборки и увеличивает входное сопротивление устройства (рис. 1, в). Если в этом УВХ при зам­кнутом ключе напряжение на конденсаторе существенно отли­чается от Uвх, то усилитель ОУ1 входит в режим ограничения я происходит быстрый перезаряд конденсатора под действием мак­симального выходного напряжения ОУ1 с постоянной времени Сrот где rот—сопротивление замкнутого ключа. Когда кон­денсатор зарядится до уровня, при котором Uвых мало отлича­ется от Uвх усилитель ОУ1 выйдет из режима ограничения и

произойдет  дозаряд  конденсатора   с   постоянной  времени rотС/Kц где Кц—петлевое усиление в замкнутом контуре.

Одновременно с запоминанием в УВХ может происходить усиление сигнала. Для этого в УВХ по схеме рис. 1, в доста­точно соединить выход ОУ2 с И-входом ОУ1 не непосредственно, а через резистивный делитель напряжения, как это делается в обычном инвертирующем усилителе.

Для ускорения выборки целесообразно уменьшать емкость запоминающего конденсатора. Если же требуется хранение

Рис.1. Схемы устройств выборки и хранения

информации в течение длительного времени, то нужно, наоборот, увеличивать емкость конденсатора. Для совмещения свойств бы­строй выборки и малой погрешности при длительном хранении можно производить каскадное включение двух УВХ. При этом первое из них содержит малую емкость и производит бы­строе запоминание мгновенного значения Uвх. Второе УВХ имеет большую емкость, оно в течение требуемого времени запоминания. Логарифмические преобразователи строятся на основе операционных уси­лителей и полупроводниковых диодов или триодов При этом используется экспоненциальная зависимость тока I через открытый p-n переход от напря­жения U на этом переходе. Эта зависимость определяется соотношением [47]:

(1)

где io – обратный ток насыщения p-n-перехода; q—заряд электрона (q = 1,6*10-18 Кл); k-постоянная Больцмана (k=1,38*10- Дж/К); Г —абсо­лютная температура. Величина kT/q при 300 К равна примерно 26 мВ. При  U>>26 мВ единицей в равенстве (1) можно пренебречь, и тогда, задавая ток через диод, мы будем получать, напряжение на нем пропорциональным логарифму тока:

(2)

Зависимость (2) достаточно точно соблюдается в диапазоне от весьма ма­лых токов (при которых все же выполняется условие I>>Iв) до больших токов (при которых еще не заметно влияние падения напряжения на резистивных сопротивлениях в p- и в n-слоях по сравнению с падением на p-n-пере­ходе). Общий относительный диапазон, в котором характеристика диода близка к экспоненте, составляет 101—105.

При построении логарифмирующего преобразователя включают диод в цепь обратной связи инвертирующего усилителя. Соответственно выходное напряжение усилителя будет равно напряжению на диоде, которое, в свою очередь, будет изменяться пропорционально логарифму входного напряжения усилителя. Наряду с диодами в таких преобразователях применяют также транзисторы, для которых связь между током коллектора и напряжением база -эмиттер также подчиняется соотношению (2).

Как видно из приведенных формул (1) и (2), вольт-амперная харак­теристика p-n перехода существенно зависит от температуры в (1) и (2) входит как сама температура Т, так и ток I, который удваивается при уве­личении температуры на каждые 10 К. Поэтому борьба с температурной по­грешностью является непременным условием обеспечения точной работы ло­гарифмических преобразователей. Обычно для этой цели применяют диффе­ренциальное включение одинаковых р-n-переходов, в одном из которых ток определяется входным сигналом, а в другом — поддерживается постоянным.

В качестве примера рассмотрим схему перемножителя, показанного на рис. 4. В этом перемножителе выходное напряжение усилителя ОУ1 опреде­ляется разностью база-эмиттерных напряжений транзисторов Т1 и Т2, При этом коллекторные токи этих транзисторов поддерживаются усилителями ОУ1 и ОУ2 на уровнях соответственно U1/R1 и U2R2.

Транзисторы T1 и T2, а также T3 и T4 входят в одну интегральную схему так, что можно считать их параметры одинаковыми. Пользуясь (2), найдем

Аналогичным образом можно найти напряжение на база-эмиттерном пере­ходе транзистора T3:

На эмиттер транзистора Т4 подается разность напряжений Uб-э3.

Учитывая, что база Т4 заземлена, можем записатьUвых1

Соответственно коллекторный ток транзистора Т4 будет

Выходное напряжение ОУ4 в итоге будет:

(3)

Как видим, в данном случае три операционных усилителя ОУ1—ОУЗ сов­местно с транзисторами П—ТЗ используются в схемах логарифмических пре­образователей. Четвертый ОУ (ОУ4) и транзистор Т4 образуют

Рис. 4. Схема устройства перемножения-деления сигналов на основе

логарифмических преобразователей

антилогарифмический преобразователь. В итоге устройство выполняет функцию перемножителя для сигналов U1, U2 и U>U2-1. Если все транзисторы одинаковы  и находятся при одинаковой температуре, то, как следует из (3), изменение ок­ружающей температуры не будет приводить к изменению выходного напряже­ния Uвых>0. этого перемножителя. Устройство работоспособно только при U1, U2, U3 выходное напряжение первого УВХ и затем длительно хранит его.

1.2 Функциональные преобразователи

Функциональные преобразователи позволяют воспроизводить требуемую функциональную зависимость между выходным и входным сигналами. Воспро­изводятся сложные функциональные зависимости обычно путем кусочно-линей­ной аппроксимации. Вместе с тем имеется один класс зависимостей — логариф­мические, которые достаточно хорошо можно воспроизвести непосредственно, не применяя аппроксимирующей функции

1.3 Кусочно-линейные функциональные преобразователи.

Широко известны и применяются диодные функциональные преобразователи, в которых требуемая зависимость Uвых от Uвх достигается за счет использования нелинейных характеристик полупроводниковых диодов

Мы же рассмотрим только принцип построения точных функциональных преобразователей, в ко­торых применение ОУ позволяет практически исключить погрешности, вызы­ваемые не идеальностью характеристики открытого диода.

Для построения точных функциональных преобразователей применяются звенья, подобные рассмотренным выше выпрямителям среднего значения. Схема одного из возможных вариантов такого звена показана на рис 5, я. Если равно нулю напряжение смещения Uсм то работа этого устройства не отличается от работы соответствующего выпрямителя (см. рис. 7-1, а). При этом на зажимах  U+вых  появляется положительное напряжение только при Uвх<0 а на зажимах U-вых  появляется отрицательное

Рис.5. Простейший функциональный преобразователь на основе ОУ (а)

и его характеристике (б)

напряжение только тогда, когда Uвх>0  Подача положительного или отрицательного напряжения смещения позволяет сместить влево или вправо точку на оси Uвх начиная с которой значение Uвых отлично от нуля (рис. 5, б). Крутизна наклонных участков кривых U+вых  и U-вых  на графиках ряс. 2, б определяется, очевидно, отношениями R2/R1 и R3/R1.