Podstawy elektroniki i miernictwa
Transkrypt
Podstawy elektroniki i miernictwa
Podstawy Elektroniki i Miernictwa dr hab. inż. Janusz Martan (pok. 4.17 B4, tel. 320-4221) Wrocław 2010 (na prawach rękopisu) Wrocław 2010 (na prawach rękopisu) 1 Wprowadzenie 1.Systematyka Przyrządów Elektronicznych 2. Podstawowe definicje - Rodzaje prądu elektrycznego - Obwód elektryczny - Podstawowe Prawa Rządzące obwodami elektrycznymi 3. Fizyczne Podstawy Działania Przyrządów Półprzewodnikowych 2 4. Złącze p-n 5. Złącze m-s 6. Tranzystor Bipolarny - zasada działania tranzystora bipolarnego - układy pracy i sposoby polaryzacji tranzystora bipolarnego - współczynnik wzmocnienia prądowego - charakterystyki i parametry pracy tranzystora bipolarnego 3 - parametry statyczne tranzystora bipolarnego - praca dynamiczna tranzystora bipolarnego – przełączanie - praca tranzystora bipolarnego z małym sygnałem - częstotliwości graniczne tranzystora bipolarnego - definicje częstotliwości granicznych 4 - szumy w tranzystorze bipolarnym - współczynnik szumów 7. Tranzystory polowe - tranzystory polowe ze złączem p-n - zasada działania tranzystora PNFET - struktura rzeczywista tranzystora PNFET - charakterystyki statyczne tranzystora PNFET - praca dynamiczna nieliniowa 5 - praca z małymi sygnałami - parametry tranzystorów złączowych - tranzystory polowe ze złączem Schottky’ego - charakterystyki i parametry tranzystora MESFET - tranzystory unipolarne MISFET - tranzystory z kanałem indukowanym -tranzystor MOSFET z kanałem wbudowanym 6 - tranzystory MISFET - praca dynamiczna nieliniowa - parametry statyczne tranzystora MISFET - tranzystory cienkowarstwowe 8. Układy Scalone - układy scalone warstwowe - rezystor cienkowarstwowy - monolityczne układy scalone - procesy wytwarzania 7 - izolacja elementów - realizacja tranzystorów - realizacja rezystorów - realizacja kondensatorów - realizacja elementów indukcyjnych - realizacja połączeń elementów - podsumowanie - cyfrowe układy scalone - podstawowe parametry cyfrowych układów scalonych 8 - bramki proste - bramka OR - bramki kombinowane - systematyka konstrukcyjnotechnologiczna układów cyfrowych - bramki logiczne z tranzystorami nasyconymi - schemat elektryczny bramki TTL (NAND) - bramki TTLS bramka ECL 9 - bramka IIL - bramki logiczne MOS - inwerter komplementarny CMOS - bramki logiczne – podsumowanie - funktory - złożone układy logiczne - pamięci półprzewodnikowe - klasyfikacja pamięci półprzewodnikowych - podstawowe parametry pamięci - pamięć stała ROM 10 - pamięć RAM - pamięć S-RAM - pamięć DRAM - schemat matrycy DRAM - układy CCD - analogowe układy scalone - systematyka - struktura analogowych układów scalonych 11 - układy polaryzacji i dopasowania poziomu napięć - wzmacniacz operacyjny - stabilizator napięcia - przetworniki C/A i AC - próbkowanie - zasada Nyquista - kwantyzacja - przetworniki A/C 12 - przetwornik A/C równoległy - przetwornik C/A 9. Optoelektronika - nadajniki i odbiorniki optoelektroniczne - elementy bierne i aktywne - przykłady możliwości zastosowań optoelektroniki - światłowody 13 - dyspersja sygnału - źródła światła - diody LED - lasery - detektory - fotodiody PIN - fotodiody lawinowe - fotodiody oparte na złączu Schottky’ego - fotodiody MSN 14 10 Wprowadzenie do miernictwa elektrycznego - wzorce miar - wzorzec miary natężenia prądu - wzorzec miary napięcia - przyrządy pomiarowe - mierniki analogowe - mierniki magnetoelektryczne - amperomierz - woltomierz 15 - omomierz - multimetry analogowe -mierniki elektromagnetyczne - oscyloskop 16 1. W P R O W A D Z E N I E Mikroelektronika układy scalone 0,8 m wymiar charakterystyczny Nanoelektronika układy scalone VLSI 0,1 m wymiar charakterystyczny Rys.1.1.Prognoza z 1997r.dla wymiaru charakterystycznego w układach krzemowych 17 A. wg. możliwości sterowania mocą 1. Bierne - rezystory stałe i regulowane, - kondensatory, - elementy indukcyjne (cewki, transformatory) - elementy piezoelektryczne, - przewody, łączówki itp. 2. Czynne - lampy - diody półprzewodnikowe i tranzystory - tyrystory 18 Systematyka układów scalonych 1. wg. konstrukcji i technologii hybrydowe (cienko i grubowarstwowe) monolityczne (półprzewodnikowe) - standardowe (produkcja wielkoseryjna) - na zamówienie (ASIC) 19 3. wg. sposobu „reagowania” na sygnał -podział aplikacyjny analogowe (liniowe) np. wzmacniacz operacyjny cyfrowe np. pamięci 20 a) b) c) d) e) f) miniaturyzacja obniżka ceny (w Pentium 10-4 – 10-5 zł/tranzystor) wzrost niezawodności wzrost częstotliwości wzrost iloczynu Pmax • f zmniejszenie szumów (fluktuacje, słabe sygnały) Rys.1.2.Prawo Moore’a 21 2. Podstawowe definicje Prąd elektryczny – uporządkowany ruch ładunków elektrycznych Natężenie prądu Q I t ogólnie i – natężenie prądu (przepływ stały) dQ dt Q- ładunek elektryczny t - czas 22 Rodzaje prądu elektrycznego Prąd przemienny (AC, also ac) ruch (przepływ) ładunków, zmieniających okresowo kierunek ruchu. Prąd stały (DC), the ruch (przepływ) ładunków elektrycznych zachodzi tylko w jednym kierunku.. 23 Sieć elektryczna-wzajemnie połączone rezystory, pojemności cewki indukcyjne itd. Obwód elektryczny – sieć tworząca zamknięty obwód. 24 Pierwsze prawo Kirchhoffa: suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających z węzła. węzeł n i k 1 i1 i4 i2 i3 k 0 n – całkowita liczba prądów wpływających lub wypływających z węzła. 25 Drugie prawo Kirchhoffa: suma napięć w obwodzie (oczku) jest równa zero. Suma wszystkich napięć w oczku wynosi zero. v1 + v2 + v 3 + v 4 = 0 26 Prawo Ohma: napięcie na rezystorze (dowolnym elemencie) równe jest iloczynowi natężenia prądu przepływającego przez element i wartości rezystancji tego elementu. VR i R 27 Opór czynny i bierny Opór elektryczny czynny (rezystancja) – miara oporu, jaki dany element stawia przepływowi ładunku elektrycznego. l R S -rezystywność zwana oporem właściwym, jest oporem elementu o jednostkowej długości i jednostkowym polu przekroju poprzecznego -rezystywność –cecha materiału 28 Reaktancja X (opór bierny) – charakteryzuje obwód elektryczny zawierający pojemność lub/i indukcyjność. Reaktancja cewki Reaktancja kondensatora XL L 1 XC C 29 Przepływ prądu przemiennego –magazynowanie energii w polu elektrycznym i magnetycznym ogólnie: U L ,C i X L ,C L C X X L XC 30 Impedancja (Z)- wypadkowa oporu czynnego (R) i biernego X Z R X 2 2 lub Z=R+jX 31 Obwód rezonansowy rezonans gdy X L X C UL iL UC iC oporność wypadkowa = oporność wypadkowa =0 (rezonans prądów) (rezonans napięć) 32 Częstotliwość rezonansowa obwodu 1 f 2 2 LC Zastosowanie – filtry selektywne 33 Schematy zastępcze Schemat zastępczy rezystora dla prądu stałego 34 Schemat zastępczy rezystora dla prądu zmiennego 1 Admitancja Y j C R j L 35 Szeregi wartości - wartości znamionowe ułożone są w szeregi geometryczne q 10 n gdzie n= 6; 12; 24 E6 = 1 E12 1 1,2 1,5 1,5 1,8 2,2 2,2 2,7 3,3 3,3 20% 10% 36 Kolor Cyfra Mnożnik brak Tolerancja 20% srebrny 10-2 10% złoty 10-1 5% czarny 0 1 brązowy 1 10 1% czerwony 2 102 2% pomarańc 3 zowy 103 żółty 4 104 zielony 5 105 0,5% niebieski 6 106 0,25% fioletowy 7 107 0,1% szary 8 108 0,05% biały 9 109 37 Definicje materiałów półprzewodnikowych: • materiały o rezystywności pośredniej między dielektrykami a metalami ( ) 38 • materiały, których właściwości elektryczne (rezystywność) silnie zależą od: -temperatury -oświetlenia, -koncentracji domieszek (czystości). 39 materiały o szerokości pasma zabronionego < 5eV (1eV=1,6·10-19J) 40 Systematyka „chemiczna” półprzewodników 1. Pierwiastkowe IV grupa np: Si, Ge, C; tranzystory, układy scalone 2. Związki chemiczne (stechiometryczne) a) IV-IV grupa np.SiC, b) III-V grupa np. GaAs, GaN, (optoelektronika np.lasery) c) II-VI grupa np. CdSe; (detektory promieniowania 41 3. Kryształy mieszane (dwa lub więcej pierwiastków lub związków) np. GexSi1-x 0<x<1 Ga0,13In0,87As0,37P0,63 - diody mikrofalowe Gunna 4. Polimery 42 Struktura krystaliczna materiałów półprzewodnikowych Sieć krystaliczna - uporządkowanie atomów w postaci regularnej sieci o periodycznie powtarzalnych w przestrzeni komórkach. Materiały bezpostaciowe (amorficzne) – brak powtarzalnej struktury układu atomów 43 2. Materiały krystaliczne a) materiały polikrystaliczne – lokalne periodyczne uporządkowanie budowy b) monokryształy – periodyczne uporządkowanie budowy w całej objętości półprzewodnika 44 0 r poziom jonizacji N M poziom walencyjny L K n=1 (max. 2 elektrony) W (energia) Jądro atomu Maksymalna liczba atomów na danej orbicie =2n2 45 energia zerowa w nieskończoności pasmo przewodnictwa (elektrony swobodne) pasmo walencyjne jądra 46 Model pasmowy ciała stałego pasmo przewodnictwa Wc WG pasmo zabronione Wv pasmo walencyjne Rozszczepienie poziomów (tyle poziomów ile atomów- odległość między poziomami ~10-23 eV ) 47 Klasyfikacja materiałów z użyciem modelu pasmowego energia pasmo przewodnictwa Wc Wg~ Wg=Wc-WV pasmo >5 eV izolatory do 5 eV półprzewodniki brak metale zabronione WV pasmo walencyjne odległość materiał Ge Si C GaAs InSb Wg(eV) 0,7 1,1 5 1,35 0,18 48 Nośniki prądu w półprzewodniku Półprzewodnik samoistny Pasmo przewodzenia Pasmo przewodzenia elektron WG T=0K rekomb. gener. dziura T>0K 49 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si dziura e Si Si n – koncentracja wolnych elektronów p– koncentracja dziur n = p = ni – półprzewodnik samoistny 50 Półprzewodnik domieszkowy półprzewodnik typu „n” (donory: Sb, P, As, - V grupa) Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si 51 pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa Wd T300K T=0 K nNd>>(ni,p) 52 Półprzewodnik typu „p” (akceptory: B, Al, In, Ga – III grupa) Si Si Si Si dziura Si Si B Si Si Si Si Si 53 pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa Wa T=0 K T300K pNa>>(ni, n) 54 1. Bezładne ruchy cieplne (~105m/s) 2. Ruchy skierowane a) unoszenie (dryft) w polu elektrycznym b) dyfuzja pod wpływem gradientu koncentracji 55 1. Ruchy skierowane Ad.a unoszenie (dryft) w polu elektrycznym Kierunek przepływu prądu 56 Ad. b dyfuzja pod wpływem gradientu koncentracji dużo elektronów mało elektronów układ dąży do wyrównania koncentracji nośników gradient koncentracji!! 57 Złożone pole sił: pole elektryczne pochodzenia zewnętrznego (polaryzacja) + pole sił cząstek lub pole elektryczne pochodzenia wewnętrznego (pole wbudowane) + pole sił cząstek. 58 W polu elektrycznym cząstka nabywa prędkość v=·E v – prędkość cząstki [m/s] E – natężenie pola elektrycznego [V/m] - ruchliwość [m2 /V·s]; współczynnik proporcjonalności stały przy małych wartościach E 59 Ruchliwość zależy od: - koncentracji wprowadzonej domieszki - temperatury - natężenia pola elektrycznego Konduktywność półprzewodnika Ruch ładunku (naładowanej cząstki) = przepływ prądu J=E prąd unoszenia J – gęstość prądu [A/m2] - konduktywność [1/(m)] 60 Dwie składowe prądu unoszenia – dziurowa i elektronowa Kierunek przepływu prądu Ju=Jup+Jun dla elektronów: Jun =qnvn = qnnE vn dla dziur: Jup =qpvp = qppE 61 J un J up Ju q ( n n p p ) konduktywność E E i eni ( n p ) n p ni półprzewodnik samoistny n en n eN d n n p półprzewodnik „n” n ep p eN a p p n półprzewodnik „p” 62 Zależność konduktywności od temperatury dla pp „n” lgn=lge+lgn+lgn (q=e) lg n Nd jonizacja domieszek 1/T lg rozpraszanie na rozpraszanie na jonach fononach domieszki 1/T lg Nd „i” 1/T 63 Dyfuzja nośników Dyfuzja – ruch pod wpływem gradientu koncentracji JDn=qDn grad n D – współczynnik dyfuzji (m2/s) JDp= qDp grad p W równowadze J=Jun+JDn=0 - dla pp typu „n” 64 Wzory Einsteina (łączą unoszenie z dyfuzją) kT Dn n q Dp kT p q 65 półprzewodnik jednorodny + + + + + + ++ + + + + + + półprzewodnik niejednorodny + + + + + + + + + + ++ + + + Nd + + + Nd x x 66 + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ewbud + kT 1 dN d E q N d dx Ju+JD=0 67 Absorpcja fotonu: -generacja pary elektron dziura w pp „i” -jonizacja donora lub akceptora w pp domieszkowym (T ) W W elektron Wc W Wg dziura „i” Warunek: Wd Wc + Wv Wv „n” Wg dla pp „i” h Wc-Wd dla pp „n” Wa-Wv dla pp „p” Wc - Wa Wv „p” 68 n stała czasowa t generacja =10-2...10-1 s. rekombinacja t maksymalna częstotliwość pracy pp. ok. kilku do kilkudziesięciu Hz 69 Fotorezystor – przyrząd półprzewodnikowy, w którym wykorzystano zjawisko zmiany konduktywności półprzewodnika pod wpływem oświetlenia. Charakterystyka prądowo-napięciowa fotorezystora I ’’ ’ R U hiperbola = enn R~1/n ~ 1/ 70 Rodzaje złącz: 1. Złącze p-n a) homozłącze – dwa obszary tego samego półprzewodnika ale o różnym typie przewodnictwa b) heterozłącze– dwa obszary różnych pp np..(Ge i Si) 2. Złącze l-h (dwa obszary półprzewodnika tego samego typu, o różnym stopniu domieszkowania np.. n+-n, p+-p) 3. Złącze m-s (metal – półprzewodnik) 4. Struktura M-I-S (metal – izolator – półprzewodnik) 71 Rozkład koncentracji ładunku i powstanie bariery potencjału w złączu p-n - przed połączeniem oba obszary, p i n, są elektrycznie neutralne p – + – + n – + – – + – + + + – – + – + – – + + – – – + – + + – + + + + dziury – elektrony – + + –+ – – – + + – – + + + + –+ – + – – + – – – + – – + – + + – jony donorów + jony akceptorów 72 p + + + - + – + + - n + + + - - – - - + - – + - - + + - - + + + + – + – + + – – + – + + – + – + – – – + – + + UD – napięcie dyfuzyjne Napięcie na złączu U=UD < 0 73 p + – – – n – – – – + +I + + n dziur + + + – – – – + Ielektr– – + + + + – p– U + Uzasil + + ID=Idziur+ Ielektr Napięcie na złączu U=Uzasil – UD <0 74 Wzrost wielkości bariery potencjału (ten sam zwrot napięcia zasilającego i dyfuzyjnego), zwiększenie szerokości warstwy zubożonej. – prąd nasycenia Is p n +p – + + + – – – – + + – – + + + + – + – – – – – + + – + – – + + + + + – – – + – + + – – + – – +– + + n– U Is – + Is Uzasil Napięcie na złączu U= -Uzasil UD 75 Założenia idealizujące: — pole elektryczne występuje tylko w obszarze zubożonym złącza (wspomniana bariera potencjału), — pozostałe obszary półprzewodnika maja zerową rezystancję, — ruchy nośników poza złączem – dyfuzyjne, — nie uwzględnia się efektu przebicia złącza. eU I I s exp kT 1 wzór Schockley’a 76 I I mA U eU I I s exp 1 kT U wzór Schockley’a 77 Model złącza idealnego uzupełnia się o zjawiska wykluczone założeniami idealizującymi Kierunek przewodzenia 1. Rezystancja szeregowa RS URS U I Rs DI + Uzasil – Uzasil=U+URS eU zasil I RS eU I I S exp 1 I S exp 1 kT kT 78 Wpływ rezystancji szeregowej na charakterystykę złącza p-n ch-ka diody idealnej ch-ka Rs I ch-ka wypadkowa U UDI URs Uzasil 79 Kierunek zaporowy 1. Rezystancja równoległa złącza DI Rr I Rr – rezystancja równoległa (upływu) niedoskonałości powierzchni pp. model zastępczy złącza p-n dla prądu stałego Rr U charakterystyka wypadkowa DI Rr Rs I 80 I Uprzeb U W stanie polaryzacji zaporowej następuje gwałtowny wzrost prądu, gdy napięcie osiąga wartość zwaną napięciem przebicia (Up). Dwa mechanizmy przebicia: — przebicie Zenera, — przebicie (powielanie) lawinowe. 81 Przebicie Zenera (efekt tunelowy) – przejście elektronów z pasma podstawowego do przewodnictwa bez zmiany energii. W Warunki wystąpienia: - cienkie złącze (< 1m) - duża koncentracja domieszek - duże natężenie pola elektrycznego w warstwie zaporowej (107..108 V/m) ; - napięcie polaryzacji pojedyncze volty x Zachodzi gdy Up<(4Wg)/e 82 Przebicie lawinowe – w złączu o znacznej grubości nat. pola elektrycznego wynosi ok.106 V/m. możliwa staje się jonizacja zderzeniowa przez rozpędzone elektrony. ma ona charakter lawinowy gdy l>>. gdy Up> 6 gdy Up< 4 gdy 4 Wg e Wg e Wg e przebicie lawinowe przebicie Zenera < Up<6 Wg oba mechanizmy e jednocześnie 83 Kierunek zaporowy (przed przebiciem) – wzrostowi temperatury towarzyszy generacja par elektron-dziura, rośnie więc ilość nośników mniejszościowych (wzrost prądu nasycenia). 1 dI R 7 9% / K I R dT przyrost T o 10K dwukrotny wzrost prądu I U T 84 dU 2mV / K dT I=const Przyrost temperatury o 10K spadek napięcia o ok.. 10 – 20% I T U 85 Warunki przebicia złącza p-n Up=Up(0)[1+·T] + – Up przebicie Zenera przebicie lawinowe U U T T I I 86 Wpływ światła na złącze przejawia się: – jako zmiana prądu złącza spolaryzowanego zaporowo wykorzystywana w detektorach promieniowania (III ćwiartka charakterystyki), – jako pojawienie się siły elektromotorycznej w niespolaryzowanym złączu, efekt fotowoltaiczny wykorzystywany w ogniwach słonecznych (IV ćwiartka charakterystyki). 87 I detektor promieniowania III ćwiartka U fotoogniwo IV ćwiartka 88 R0 URo+Udiody=Uzasil Uzasil 89 Czułość widmowa detektora: C If P f ( ) If – prąd fotoelektryczny P – moc promieniowania Częstotliwość pracy foto detektora C~ C_ 1 0,707 fgr f Częstotliwość osiąga wartość k•10 MHz, w rozwiązaniach specjalnych GHz 90 Izw – prąd zwarcia Ef – siła elektromotoryczna (I=0) Ropt – rezystancja obciążenia, przy której w diodzie wydziela się max. moc 91 Siła elektromotoryczna fotoogniwa: przez oświetloną diodę płynie prąd : eU I I s exp 1 I f kT gdy I=0 to U=Ef Sprawność: stąd kT I f Ef ln 1 e Is Pe le k tr 100 % Pprom Teoretyczna sprawność dla Si ok.25%, a praktyczna kilkanaście %. 92 Mechanizm fizyczny – nośniki generowane światłem w obszarze złącza podlegają rozdziałowi pod wpływem bariery potencjału ładowanie elektrod prąd płynie w obwodzie zewnętrznym. Wykonania: -krzem monokrystaliczny (Solar Grade Silicon) - krzem polikrystaliczny (tańszy, mniejsza sprawność) - krzem amorficzny (warstwa cienka – kalkulatory) - inne materiały np.. GaAs, związki AIIBVI 93 Pojemność warstwy zaporowej CT (złączowa) Pojemność CT związana jest z ładunkiem przestrzennym donorów i akceptorów w warstwie zaporowej. Qp Q n p n + – – – + – – – +– + – + + + – + – + – – +– – – + + + – + + – + + – –+ + – –+ + – + + + – – – + + – – + CT dQ dU UD – napięcie dyfuzyjne U CT Co 1 UD m U=0 U - U to C=C0 to C 0 to C |UD| 94 Napięcie zasilające złącze u=Uo + Umsin(t) Uo - składowa stała Um – amplituda sygnału zmiennego - pulsacja sygnału = 2f 95 Spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze p-n wstrzykuje nośniki mniejszościowe do obszarów poza złączem, modyfikując rozkład ich koncentracji. Zmiana napięcia na złączu zmienia wielkość ładunku przestrzennego (Q) co odpowiada istnieniu tzw. pojemności dyfuzyjnej Cdyf Pojemność dyfuzyjna to podstawowy czynnik ograniczający max. częstotliwość pracy przyrządów ze złączem p-n 96 Rodzaje i zastosowania diod półprzewodnikowych Diody prostujące 1) prostownik jednopołówkowy bez kondensatora rozładowanie 97 2) prostownik dwupołówkowy Napięcie przemienne Napięcie przemienne Uwyy Napięcie stałe Dioda powinna mieć: małe Rs, duże Up, duże Rr Uwyy t 98 Diody detekcyjne i mieszające 99 Diody pojemnościowe + - C2 L C1 Zmiana napięcia na diodzie powoduje zmianę jej pojemności (złączowej). Pojemność diody dodaje się do pojemności C1; zmienia się częstotliwość rezonansowa układu. 100 Charakterystyka I=f(U) diody stabilizacyjnej UZmax UZmin I IZmin hiperbola mocy maksymalnej Pmax Zakres liniowy rezystancja dynamiczna charakterystyki IZmax Im rd mniejsze tym lepszy efekt stabilizacji U Z max U Z min rd I Z max I Z min 101 Stabilizator oparty na diodzie Zenera Rs Uwe 10% Robc UZmax UZmin I IZmin IZmax 102 3. Złącze m-s Złącze m-s może mieć charakterystykę: – liniową (symetryczną); złącze omowe Charakterystyka liniowa (rezystora) I U 103 Złącze m-s I charakterystyka prądowo-napięciowa nieliniowego złącza m-s U Rodzaj złącza idealnego zależy od zależności prac wyjścia elektronów z metalu (Am) i półprzewodnika (Ap) Praca wyjścia elektronów z ciała stałego – energia jaką zużywa elektron aby opuścić to ciało. 104 Złącze m-s Na styku metalu z półprzewodnikiem występują dwa strumienie elektronów: – opuszczające metal i wchodzące do pp (epp) – opuszczające pp i wchodzące do metalu (eme) me pp epp eme Rme Rzłącza Rpp 105 Złącze m-s Am>As Am<As me eme pp „n” epp Rme << Rzłącza << Rpp złącze liniowe me eme pp „n” epp Rme << Rzłącza >>Rpp złącze prostujące 106 Złącze m-s 107 Złącze m-s Model złącza m-s z uwzględnieniem stanów powierzchniowych Stany powierzchniowe, które w Si, Ge mają charakter akceptorowy, powodują, że złącze me-pp ”n” ma charakter nieliniowy dla każdej relacji prac wyjścia. Przechwytują one elektrony jonizując się ujemnie i zubożając obszar przypowierzchniowy pp w elektrony – pasma zaginają się do góry. Kontakt omowy można uzyskać jednak gdy: • warstwa zaporowa złącza będzie tak cienka, że elektrony mogą tunelować 108 Złącze m-s • stany powierzchniowe zostaną całkowicie zapełnione lub opróżnione (silne domieszkowanie warstwy przypowierzchniowej me – n+ - n (n+ - warstwa podkontaktowa) warstwa podkontaktowa metal n+ pp „n” 109 Wprowadzenie Jest to przyrząd, w którym nośnikami prądu są dziury i elektrony (dwa rodzaje nośników). Wzmacniacz mocy sygnału. Sterowany prądowo. Element transformujący rezystancję: TRANSfer resISTOR Efekt tranzystorowy odkryty w 1948r. przez Bardeena i Brittaina przy badaniu sondą ostrzową diody ostrzowej. Teorię opracował Shockley (wspólna nagroda Nobla). 110 Struktura i symbol C E n p p E n C p n B B E C C E B B 111 1. Praca aktywna normalna złącze E-B kierunek przewodzenia złącze C-B kierunek zaporowy praca jako wzmacniacz I IE CB I’E EB U I’C IC IC 112 2. Zakres odcięcia złącze E-B kierunek zaporowy złącze C-B kierunek zaporowy 3. Zakres nasycenia praca jako klucz złącze E-B kierunek przewodzenia złącze C-B kierunek przewodzenia 4. Zakres inwersyjny złącze E-B kierunek zaporowy złącze C-B kierunek przewodzenia 113 p p n UEB IE Emiter UCB Baza Kolektor IC IB + - + - IE=IC + IB kontakty omowe Złącze E-B spolaryzowane w kierunku przewodzenia wstrzykuje dziury do bazy gdzie dyfundują one (tr. z jednorodną bazą) lub są unoszone (tr. dryftowy) w kierunku złącza C-B. W bazie część dziur rekombinuje z elektronami – prąd bazy przywraca równowagę elektryczną bazie. 114 Zasada polaryzacji (zakres aktywny normalny) p-n-p n-p-n UE>UB>UC UE<UB<UC UE - potencjał emitera UB - potencjał bazy UC - potencjał kolektora Układy pracy tranzystora bipolarnego IE>0 IE>0 IC<0 E IC<0 IB<0 C IB<0 B B UEB>0 UCB<0 B B OB OB. (wspólna baza) E C UCE<0 UBE<0 E E OE OE (wspólny emiter) UEC>0 UBC>0 C C OC OC ( wspólny kolektor) 115 Polaryzacja złącz w poszczególnych układach pracy OB OE OC Polaryzacja złącz tranzystora bipolarnego z jednego źródła napięcia 116 Układ OB I C I E (np. 0,99) IC jest nieco mniejsze niż IE bo: – w bazie zachodzi rekombinacja nośników wstrzykiwanych przez emiter (np.. dziur w p-n-p) – nośniki wstrzykiwane do bazy przez emiter stanowią część całego prądu emitera, który obejmuje też nośniki wstrzykiwane z bazy do emitera (elektrony w p-n-p) 117 Układ OE: I C I C I B I E I C 1 Układ OC: C (np.99) I C I B I E 1 I B I B (np. 100) 118 Charakterystyki i parametry statyczne tranzystora bipolarnego Parametry czwórnika można opisać związkami prądów i napięć np.: I1 U1 I2 U2 6 możliwych par równań trzy następujące mają największe znaczenie praktyczne: a) równaniami mieszane U1=f(I1,U2) I2=f(I1,U2) 119 Charakterystyki i parametry statyczne tranzystora bipolarnego b) równania impedancyjne U1=f(I1,I2) U2=f(I1,I2) c) równania admitancyjne I1=f(U1,U2) I2=f(U1,U2) I1 U1 I2 U2 120 Charakterystyki i parametry statyczne tranzystora bipolarnego Równania mieszane U1=f(I1)| U1=f(U2)| I2=f(I1)| I2=f(U2)| ch-ki wejściowe U2=const I1=const U2=const I1=const ch-ki oddziaływania wstecznego ch-ki przejściowe (prądowe) ch-ki wyjściowe Do wyznaczenia wszystkich ch-k wystarcza znajomość po jednej „rodzinie” z każdej pary. 121 Charakterystyki i parametry statyczne tranzystora bipolarnego Układ OB UEB=f(IE) UCB=const UEB=f(UCB) IC=f(IE) ch-ki wejściowe ch-ki oddziaływania wstecznego IE=const ch-ki przejściowe (prądowe) UCB=const IC=f(UCB) ch-ki wyjściowe IE=const IE>0 IC<0 E C UEB>0 UCB<0 B B OB 122 Charakterystyki i parametry statyczne tranzystora bipolarnego IE>0 IC<0 E IB<0 C IC<0 C B UEB>0 UCB<0 B B OB UB UCE<0 UBE<0 E E OE 123 Parametry statyczne tranzystora bipolarnego współczynnik wzmocnienia prądowego ( lub ) maksymalna moc admisyjna Pa=IC•Uwy maksymalny prąd kolektora IC maksymalne napięcie UCB i UCE (groźba przebicia złącza kolektorowego) - napięcie nasycenia (minimalna wartość napięcia UCE) - 124 Praca dynamiczna tranzystora bipolarnego - przełączanie włączanie : stan odcięcia stan nasycenia wyłączanie : stan nasycenia stan odcięcia Przy szybkich zmianach polaryzacji tranzystor okazuje się przyrządem inercyjnym. Przyczyna bezwładności: gromadzenie ładunków w poszczególnych obszarach tranzystora, przepływ prądów ładowania i rozładowania przy zmianach polaryzacji. 125 Skutek bezwładności – opóźnienia sygnału E5 E1 Eg U td – czas opóźnienia tr – czas narostu t 100%C 90% t 10% td tr ts tf ts – czas magazynowania tf – czas opadania ton toff 126 Gdy: uEB=UoEB + UEBmsin(t) uCB=UoCB + UCBmsin(t) UEBm<< kT/e UCBm<< UoCB + kT/e Modele liniowe: a) czwórnikowe (końcówkowe) „czarna skrzynka” b) fizyczne (schematy zastępcze złożone z elementów odpowiadających procesom fizycznym w tranzystorze) Model czwórnikowy i1 i2 u1 u2 małe litery - wartości chwilowe napięć i prądów 127 – admitancyjne – mieszane (hybrydowe) i1=f(u1,u2) i2=f(u1,u2) ymn u1=f(i1,u2) i2=f(i1,u2) hmn W praktyce stosuje się przede wszystkim równania mieszane, gdyż parametry macierzy hmn mają łatwą interpretację fizyczną i graficzną (nachylenia charakterystyk). równania mieszane: u1=h11·i1 + h12·u2 i2 = h21·i1 + h22·u2 128 h11 h12 u1 i1=0 u2 h21 h22 u1 i1 u2=0 i2 i1 i2 u2 u2=0 i1=0 impedancja wejściowa współczynnik sprzężenia współczynnik wzmocnienia prądowego admitancja wyjściowa 129 Parametry hmn (a tym samym właściwości tranzystora) zależą od: - układu pracy tranzystora ( OE, OB, OC) - punktu pracy tranzystora (tj. polaryzacji elektrod) - częstotliwości sygnału zmiennego - temperatury Podsumowanie: parametry h stosowane są w zakresie m.cz. (liczby rzeczywiste) parametry y stosowane są w zakresie w.cz. 130 Częstotliwości graniczne tranzystora bipolarnego Ze wzrostem częstotliwości sygnału maleje wzmocnienie prądowe. Na drodze E-C sygnał prądu zmiennego ulega opóźnieniu i osłabieniu tcałk=tEB + tB + tCB opóźnienie w warstwie zaporowej E-B opóźnienie w bazie opóźnienie w warstwie zaporowej B-C Dominujący wpływ opóźnienia w bazie (tB) krótka baza i tr. dryftowy 131 1. f – częstotliwość w ukł. OB., przy której wartość współcz. wzmocnienia prąd. 0 dla prądu stałego maleje do wartości 0 2. f – częstotliwość w ukł. OE., przy której wartość 2 współczynnika wzmocnienia prąd. 0 dla prądu stałego maleje do wartości 0 2 3. f1 – częstotliwość, przy której wartość współczynnika wzmocnienia prądowego w układzie OE maleje do 1 4. fT – ekstrapolacja części opadającej wykresu (f) o stałym nachyleniu do przecięcia z prostą =1 5. fmax – częstotliwość niezależna od układu pracy, przy której wzmocnienie mocy maleje do 1 132 0 0 2 1 f fT f1 fmax f f<<fT<f1<f<fmax 133 Szum – nakładające się na sygnał fluktuacje prądów, napięć powodowane zjawiskami zachodzącymi w każdym przyrządzie elektronicznym Składowe szumów: Szum cieplny – wynika z chaotycznego ruchu cieplnego nośników prądu – szum biały (gęstość widmowa mocy nie zależy od częstotliwości) dP kT const df 134 Szum śrutowy – wynika z dyskretnej postaci ładunków elektrycznych i chaotycznego przebiegu zjawisk rekombinacji i generacji (szum biały) szum „1/f” – dominuje przy m.cz., związany ze zjawiskiem pułapkowania nośników na powierzchni pp. 135 Współczynnik szumów F – charakteryzuje wzrost stosunku mocy szumów do mocy sygnału w wyniku przejścia sygnału przez czwórnik. P1 Psz1 Psz 2 Psz1 F P2 P1 1 Psz 2 F k Psz1 tranzystor P2 Psz2 P1, P2 – moc sygnału odpowiednio na wejściu i wyjściu czwórnika Psz1, Psz2 – moc szumów odpowiednio na wejściu i wyjściu czwórnika 136 Psz 2 Psz1 F P2 P1 1 Psz 2 F k Psz1 FdB=10 log F F [dB] 10 5 spadek wzmocnienia 1/f 0 102 104 106 108 f [Hz] Szumy są szczególnie istotnym parametrem tranzystora przy wzmacnianiu słabych sygnałów (a więc m.in.. w zakresie w.cz. i b.w.cz. 137 polowe - oddziaływanie polem elektrycznym na konduktancję kanału w pp. stanowiącym wówczas rezystor nieliniowy unipolarne - w przewodnictwie uczestniczy tylko jeden typ nośników - większościowe Skrót FET – Field Effect Transistor 138 Sposoby wytwarzania pola elektrycznego w pp. – rodzaj tranzystora 1. Tranzystor złączowy JFET – Junction FET Spolaryzowane zaporowo złącze a) złącze p-n (tranzystor PN FET) b) złącze me-s (tranzystor MESFET) 2. Tranzystor z izolowaną bramką IG FET (Insulated Gate FET) Struktura M – I –S (Metal –Insulator –Semicond.) a) tranzystor MIS FET (MOS FET) b) tranzystor cienkowarstwowy TFT (Thin Film Transistor) 139 z 2a – +D S (źródło) (dren) L Konduktancja GDSo kanału 1 2az 2az n e n N d RK 0 L L Prąd elektronowy ID=GDSo·UDS 140 Zasada działania tranzystora PN FET warstwa zubożona G S p D n p UGS+ G – – + UDS UDS >0 UGS 0 ID daje spadek potencjału na rezystancji kanału i różnicuje polaryzację GS, różnicując grubość warstwy zubożonej 141 n+ G S n D Symbole graficzne tranzystorów PN FET n+ p D D „p” G G S tranzystor z kanałem „n” możliwe układy pracy OS, OG OD najczęściej OS S tranzystor z kanałem „p” 142 ID UDS=5V ID UGS=0 I UGS=-0,5 UGS=-1,0 UGS= -2,0 Up UGS[V] III II -1 ch-ka przejściowa 5 UDS[V] ch-ka wyjściowa I zakres triodowy (liniowy) II zakres pentodowy (nasycenia) III zakres przebicia Tranzystory unipolarne - tylko dwie charakterystyki !!! 143 Inercja przy szybkich zmianach polaryzacji to rezultat: a) ładowania warstwy zaporowej złącza bramka-kanał b) skończonego czasu przelotu nośników w kanale G S D n+ n C G-S n+ p CG-D CG-K 144 Praca z małymi sygnałami (liniowa) m.cz. - parametry dla zakresu nasycenia konduktancja wy g ds konduktancja przejściowa (transkonduktancja) I D U DS gm b. mała wartość 0 I D U GS w.cz. – parametry rozłożone 145 - moc admisyjna - rezystancja we - transkonduktancja gm k. 1W...k. 10W k. 10 M...k. 1G k.1...kilkunastu mA/V 146 Tranzystory polowe ze złączem Schottky’ego MESFET Przeznaczone do pracy przede wszystkim w zakresie b.w.cz. (mikrofalowym) S G „n+” D „n+” „n” podłoże GaAs (półizolacyjny) Bramka metalowa (G) – złącze m-s nieliniowe Źródło i dren (S i D) - złącza m-s liniowe (omowe) Napięciem bramki reguluje się grubość warstwy zubożonej, a więc zmienia się konduktancja kanału „n” między bramką a podłożem. 147 ID UDS=5V Up UGS[V] -1 ID UGS=0 UGS=-0,5 UGS=-1,0 UGS= -2,0 5 UDS[V] Parametry szumy 2...4 dB przy 2...10 GHz moc 1...2W przy 8...10 GHz transkonduktancja gm 20...100mS 148 Stacjonarny ładunek na powierzchni półprzewodnika realizowany w układzie metal-izolator -półprzewodnik Struktura MIS dla napięcia UGS=0 bramka metalowa (M) izolator (I) pp „n” (S) 149 Zubożenie (UGS<0) Elektrony odpychane są w głąb pp. (obszar przypowierzchniowy zubożony w elektrony) 150 G Obszar „p” UGS<<0 – + _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ + _ Obszar „n” + W warstwie przypowierzchniowej nastąpiła przewaga dziur nad elektronami –zjawisko inwersji (zmiana typu przewodnictwa) 151 Akumulacja (UGS>0) G S obszar „n+” UGS>0 obszar „n” Warstwa przypowierzchniowa wzbogaciła się o dodatkowe elektrony 152 Tranzystor z kanałem indukowanym G D S n+ n+ p Przy braku polaryzacji bramki nie ma możliwości przepływu prądu (polaryzacja zap. jednego ze złącz p-n+) 153 Tranzystor z kanałem indukowanym Tranzystor z kanałem indukowanym typu „n” kanał indukowany G(+) D(+) S(-) n+ n+ p Przy polaryzacji elektrod jak na rysunku w warstwie przypowierzchniowej półprzewodnika indukuje się kanał „n” (inwersja), możliwy jest przepływ prądu. 154 Tranzystor MOS FET z kanałem wbudowanym kanał wbudowany „n” Przy braku polaryzacji bramki (G) możliwy jest przepływ prądu. 155 Tranzystor MOS FET z kanałem wbudowanym Przy polaryzacji bramki napięciem ujemnym UGS<0 kanał zwęża się. 156 Gdy izolatorem jest SiO2 (b. często)to tranzystor MOS FET Systematyka tranzystorów: A) z kanałem typu p a) z kanałem indukowanym („normalnie wyłączony” lub „pracujący ze wzbogacaniem”), b) z kanałem wbudowanym („normalnie załączony” lub „pracujący ze zubożaniem”) B) z kanałem typu n a) z kanałem indukowanym („normalnie wyłączony” lub „pracujący ze wzbogacaniem”),\ b) z kanałem wbudowanym („normalnie załączony” lub „pracujący ze zubożaniem”) 157 Podstawowy parametr tranzystorów MOS FET to napięcie progowe UT napięcie progowe – napięcie UGS, przy którym tranzystor przechodzi ze stanu nieprzewodzenia w stan przewodzenia. Symbole graficzne i charakterystyki statyczne tranzystorów MISFET 158 Praca dynamiczna nieliniowa Inercja przy szybkich zmianach polaryzacji to rezultat: a) ładowania i rozładowania pojemności CS-G, CG-P, CD-G b) skończonego czasu przelotu nośników w kanale CG-S pojem. źródło-bramka CG-D pojem. dren – bramka CG-K pojem bramka – podłoże (kanał) 159 a) b) c) d) e) f) g) h) napięcie progowe UT (3..5V) rezystancja wejściowa (~1012...1013) Tera napięcie przebicia UDS rezystancja S-D przy IDmax (tr. włączony) rezystancja S-D przy ID=0 (tr. wyłączony) moc maksymalna szumy ok.. 20 dB transkonduktancja gm 5...30mS dla tr. małej mocy ok..10A/V dla tr. dużej mocy 160 Tranzystory cienkowarstwowe Szkło 161 Układem scalonym (US, IC (ang.)) nazywamy układ złożony z niepodzielnych ale wyróżnialnych przestrzennie elementów. Układy z elem. dyskretnych o różnych kształtach Układy scalone Układy funkcjonalne o jednak.kształtach (mikromoduły) cienkowarstwowe warstwowe grubowarstwowe monolityczne (pp) bipolarne MIS (MOS) bi-MOS 162 Układy warstwowe realizowane są jako hybrydowe - grubowarstwowe - cienkowarstwowe Układy scalone grubowarstwowe Na podłoże ceramiczne nanosi się metodą sitodruku (ok..104 oczek/cm2) półpłynne pasty rezystywne, przewodzące lub dielektryczne - suszenie i wypalanie (1000oC) – szkliwienie. Technologia tania ale dość znaczny rozrzut parametrów, pewna niestabilność parametrów w czasie-zastosowanie w sprzęcie powszechnego użytku. 163 Układy scalone cienkowarstwowe Wytwarzane w aparaturze próżniowej. Na izolacyjne podłoża nanosi się cienkie (ok.. 0,1m) warstwy rezystywne (NiCr)- rezystory, przewodzące (Au, Al.) – ścieżki, pola kontaktowe, dielektryczne (SiO2). 164 pola kontaktowe możliwość doregulowywania rezystancji przez np. nacinanie laserowe lub elektroiskrowe. warstwa rezystywna struktura: me-izolator - me okładki metalowe kondensator wartości: 10 pF...10nF izolator Technologia bardziej precyzyjna, ale droższa- zastosowanie w sprzęcie profesjonalnym 165 Na płytce Si lub GaAs każdy „prostokąt” to IC (chip) u z x Każdy układ scalony składa się z pojedynczych elementów pp. y 166 Cel: W podłożu Si lub GaAs należy wytworzyć wzajemnie izolowane (i odpowiednio połączone) elementy czynne i bierne. Zasada jednoczesności wykonywania obszarów różnych elementów (np. emitery tranzystorów, rezystory o małej rezystancji itd..) Typowe podłoże dla układów bipolarnych Si typu „p” 167 Izolacja elementów Izolacja złączowa złącze p-n p n p p n pF G podłoże „p” p Rp podłoże „p” 168 SiO2 n n poly Si n podłoże metoda droga, ale b. dobra izolacja (nap. przebicia ok. 1000V) = ok. 100 169 Realizacja tranzystorów Tranzystory bipolarne Różnice w stosunku do tranzystora dyskretnego: - wyprowadzenie kolektora na powierzchnię czołową - ulokowany na izolowanej wyspie, Tranzystor n-p-n (typowy) n p n p start E wytworzenie kolektora p n p p wytworzenie bazy n+ n p (podłoże) p B K n+ p wytworzenie emitera p 170 Realizacja tranzystorów E B C p p n p E C p p n p tranzystor wertykalny (podłożowy) = 0,5...5 B p tranzystor boczny (lateralny) = ok. 1.. 20 Tranzystor unipolarny MOS S G T1 D p (podłoże) S G D T2 Nie wymaga wyspy izolacyjnej – duża gęstość upakowania NMOS Up= -1,5..-2V (PMOS –3,5..-5V) 172 G S G D S p+ p+ n+ n PMOS p D n+ NMOS Układ CMOS – większa szybkość działania, pobór mocy tylko przy przełączaniu (układy cyfrowe), więcej miejsca niż NMOS Realizacja diod Wykorzystuje się struktury tranzystora np. E-B C-B K K A A K K A A IC=0 U przeb 2..10 V IE=0 Uprzeb 10..100 V 174 rezystor bazowy (wykonywany w czasie realizacji baz tranzystora n-p-n) 1 2 p n 100 <R<20 k p 1 p-n n-p R(p) 2 C(p-n) R(n) schemat zastępczy rezystora bazowego C(n-p) R(p) 175 b) rezystor emiterowy 1 2 n+ p n R<100 p rezystor bazowy ściśnięty (zgniatany) 1 2 p n+ R=k·10 k n p 176 rezystor regulowany – (PN FET) S G p n + n D n + p (podłoże) ID |UG| ID UDS |UG| wykorzystuje się liniowy zakres charakterystyki R +1 R UDS 2 177 Wykorzystuje się obszary tranzystora kondensator złączowy niesymetryczny 1 2 Co p n p U1-2 ważna polaryzacja elektrod !! złącze C-B duże nap. przebicia >10V złącze E-B niskie nap. przebicia <10V 178 1 2 p p C n U1-2 p Polaryzacja elektrod nieistotna Kondensator MOS 2 1 n+ n p 179 W US elementów indukcyjnych w zasadzie nie realizuje się (eliminacja na drodze projektowej). Jeśli konieczne użycie to: - cewki nH – spirale powierzchniowe (zakres w.cz.) - wykorzystanie indukcyjnych właściwości elementów czynnych - dołącza się cewki z zewnątrz (układy hybrydowe). 180 Realizacja połączeń elementów Nanosi się ścieżki metaliczne na powierzchni Si. Skrzyżowania: a) metalizacja wielopoziomowa (rozdzielanie SiO2) b) skrzyżowania „podziemne” n+ p 181 Inne zasady projektowania niż dla układów dyskretnych: - obecność pojemności pasożytniczych (nie można poprawić) znaczne (jednokierunkowe) rozrzuty parametrów elementów składowych ograniczone wartości R i C (dyskretne dowolne) znaczne pow. zajmowane przez elementy bierne (R, C) – tępić elementy bierne! 182 Układy cyfrowe – układy pracujące dwustanowo (jest napięcie na wyjściu lub go nie ma). Stany te odpowiadają dwu wartościom logicznym 0 i 1. · dodatnia - 1 (stan wysoki) – odpowiada istnieniu napięcia na wyjściu; 0 (stan niski) brak napięcia na wyjściu · Oznaczenia: UH – stan wysoki UL – stan niski Układy cyfrowe zawierają wiele elementów powtarzalnych, są więc łatwe do scalania, nie mają tak dużych wymagań odnośnie tolerancji elementów jak układy scalone analogowe. 183 Podstawowe parametry cyfrowych układów scalonych • czas propagacji (szybkość działania) • pobór mocy, • odporność na zakłócenia, • zgodność łączeniowa i obciążalność Podstawowe parametry cyfrowych układów scalonych Czas propagacji Uwe UH 1 – czas propagacji przy przejściu ze stanu wysokiego do niskiego UL t Uwy UH UL 1 2 t 2 – czas propagacji przy przejściu ze stanu niskiego w stan wysoki. czas propagacji 1 2 2 185 Podstawowe parametry cyfrowych układów scalonych P = Ucc*Icc P = PL+PH PL – moc pobierana w stanie niskim PH – moc pobierana w stanie wysokim W niektórych układach (CMOS) moc pobierana przez układ w chwili przełączenia jest większa niż w stanie ustalonym – wtedy: T U P cc Icc (t)dt Ucc Icc śr T 0 T – okres przełączania 1 T – częstotliwość przełączania 186 Podstawowe parametry cyfrowych układów scalonych Odporność na zakłócenia Zakłócenia mogą spowodować krótkotrwałe zmiany stanu logicznego na wyjściu układu. Miarą odporności układu na zakłócenia są marginesy zakłóceń: - margines zakłóceń stanu niskiego MZL - margines zakłóceń stanu wysokiego MZH MZL= UIL- U0L MZH= U0H- UIH 187 Podstawowe parametry cyfrowych układów scalonych Uwy U0H Dla zakresu nap. wejściowych 0UIL UILUIH >UIH U0L UIL UIH stan 1 na wyjściu przełączenie stan 0 na wyjściu Uwe UIL – max. dopuszczalne nap. we na poziomie niskim, gdy jeszcze nie nastąpi przełączenie. UIH – min. nap. wejściowe na poziomie wysokim, gdy jeszcze nie nastąpi przełączenie U0H – nap. wy odpowiadające stanowi wysokiemu U0L – nap. wy odpowiadające stanowi niskiemu 188 Typowe wartości dla TTL MZL =0,7-0,2 = 0,5V Gdy amplituda zakłóceń <0,5V to 1 na wy, MZH =5-1,9 =3,1V Gdy amplituda zakłóceń<3,1V to 0 na wy Amplituda logiczna = U0H-U0L dla TTL 4,8V 189 Zgodność łączeniowa i obciążalność Układy A i B są zgodne łączeniowo (kompatybilne), gdy bezpośrednie połączenie wyjścia A z wejściem B zapewnia poprawną elektrycznie współpracę obydwu układów. Cyfrowe układy scalone projektowane są do współpracy z układami tej samej serii. Aby móc określić możliwość współpracy tych układów wprowadzono pojęcie znormalizowanego obciążenia. Znormalizowane obciążenie – miara liczby wejść układów tej samej serii, które można przyłączyć do jednego wyjścia. Przykład – dla TTL obciążalność = 10 190 Bramki proste (realizują proste funkcje logiczne) AND (i) – koniunkcja (iloczyn logiczny) OR (lub) – alternatywa (suma logiczna) NOT (nie) – negacja Bramka AND elektryczny schemat zastępczy we A B zwarcie – 1 rozwarcie - 0 Ro Tabela prawdy wy A B wy 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 191 elektryczny schemat zastępczy Tabela prawdy B A zwarcie – 1 rozwarcie - 0 wy elektromagnes A B wy 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 Tabela prawdy Bramka NOT (negacja) w e A Ro A wy 0 1 1 0 192 OR + NOT = NOR AND + NOT = NAND Tabela prawdy A B NAND OR 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 Schemat zastępczy bramki NOR w eA B Ro wy 193 A. Bipolarne np.: TTL IIL (I2L) ECL (transistor-transistor-logic) z tranzystorami (integrated injection logic) nasyconymi (emiter coupled logic) B. MIS (MOS) np.: PMOS (konwencjonalne, tanie) NMOS (nowsze, szybsze ) CMOS ( mały pobór mocy, szybki, odporne na zakłócenia) CCD (charge coupled devices) –układy cyfrowe i analogowe (skanery, cyfrowe aparaty fotograficzne, kamery cyfrowe) Podstawowym elementem każdej bramki jest inwerter 194 Inwerterem jest tranzystor pracujący w układzie OE UCC Uwe UCE=Uwy Uwy UoH UoL UIL 2V gdy we - 0 to UCE = UCC gdy we - 1 to UCE = UCEnas UIH Uwe Typowe wartości dla bramki TTL UOH=5V; UOL=0,2V Amplituda logiczna = 4,8V MZH = 0,5V MZL = 3,5V 195 Na wejściu bramki jest wieloemiterowy tranzystor (możliwość realizacji tylko w US) Typowe parametry bramek TTL: czas propagacji 33ns..17ns pobór mocy 1...23mW 196 Bramka TTLS Złącze C-B zbocznikowane diodą Schottkye’go (tranzystor nie wchodzi w stan nasycenia) C E n+ B p n p n+ Podstawowe parametry: Czas propagacji ok.. 3ns Pobór mocy ok.. 19mW 197 Bramka ECL Bramka NOR Dwa wyjścia Odwracające i nieodwracajace fazę Typowe parametry bramek ECL: czas propagacji 1..5ns pobór mocy 30..60mW 198 +UE we C1 C2 C3 n-p-n p-n-p Podstawowe parametry bramki I2L czas propagacji 10..30ns pobór mocy 50 W amplituda logiczna 0,7V 199 Bramki logiczne MOS W układach MOS nie stosuje się obciążenia rezystancyjnego, gdyż wartości R>100k trudno zrealizować w US (miejsce). Jako obciążenie stosuje się drugi tranzystor MOS. Inwerter w układach MOS składa się z dwu tranzystorów: Tranzystora TD - sterującego i Tranzystora TL - obciążenie 200 Warianty połączeń TD TL: PEMOS – PEMOS PEMOS – PDMOS NEMOS – NEMOS NEMOS – NDMOS CMOS tranzystor TL wy tranzystor TD PEMOS – PDMOS 201 Inwerter komplementarny CMOS Układy CMOS – TD - tranzystor z kanałem indukowanym typu „n ” TL - tranzystor z kanałem indukowanym typu „p” USS Gdy Uwe = Uss to: TD przewodzi, TL nieprzewodzi, 0 logiczne na wy TL we wy CL TD Gdy Uwe = 0 to: TD nieprzewodzi, TL przewodzi, 1 logiczna na wy 202 Inwerter komplementarny CMOS Moc pobierana w stanie ustalonym PS -bardzo mała (ok.0,05W). Pobierana moc P rośnie z częstotliwością przełączania f. P=PS + CL·U2SS· f 203 Zalety bramek MOS • Uproszczona budowa układów (tylko tranzystory MOS) • Mniejsza liczba procesów technologicznych • Mały pobór mocy w warunkach pracy statycznej Inwertery - podsumowanie Szybkość działania – max. ECL Pobór mocy – min CMOS i I2L Marginesy zakłóceń – max. MOS (CMOS!) 204 Funktor NAND – szeregowe połączenie n tranzystorów sterowanych (n wejść) i tranzystora obciążającego TL UDD wy n nwe 2 1 0 logiczne tylko gdy wszystkie tranzystory TD przewodzą. Liczba tranzystorów TD <3 bo napięcie wyjściowe w stanie 0 to suma napięć na poszczególnych tranzystorach. 205 Funktor NOR – równoległe połączenie n tranzystorów sterowanych TD (bramka n-wejściowa). Liczba tranzystorów ograniczona do 3, bo rośnie pojemność wyjściowa i maleje f pracy UDD TL wy 1 TD1 2 TD2 3 TD3 n TDn 206 Złożone układy logiczne – układy składające się z bramek prostych Dwie grupy układów: - układy kombinacyjne - układy sekwencyjne Układy kombinacyjne – układy nieregeneracyjne tzn. stany logiczne na wy układu zależą tylko od bieżących stanów logicznych na we układu; zbudowane na bazie bramek logicznych (np.. procesory). Układy sekwencyjne – układy regeneracyjne tzn. stany logiczne na wy zależą nie tylko od bieżących stanów logicznych na we układu, lecz także od stanów będących uprzednio; zbudowane na bazie przerzutników (np.. pamięci). 207 Pamięci półprzewodnikowe – cyfrowe układy scalone przechowujące informacje w systemie binarnym. Najprostszym układem i podstawową komórką jest przerzutnik – pamięć jednobitowa. Złożone układy pamięciowe mogą zawierać b. dużą liczbę takich komórek, ułożonych w matrycę. Ponadto pamięci posiadają układy peryferyjne i buforowe, umożliwiające współpracę z innymi układami systemu cyfrowego. Pamięci pp. to dominująca grupa w produkcji US. 208 Klasyfikacja pamięci półprzewodnikowych Różne kryteria podziału: Sposób przechowywania informacji - o dostępie szeregowym- złożone z rejestrów przesuwnych np.FIFO (First In First Out), - o dostępie swobodnym (RAM), - stałe (ROM) 209 Ze względu na trwałość przechowywanej informacji: - ulotne (informacja kasowana jest po wyłączeniu zasilania) – RAM - nieulotne (informacja jest zachowywana po wyłączeniu zasilania) - ROM Ze względu na typ użytych tranzystorów - bipolarne - unipolarne Ze względu na sposób zasilania - statyczne ( komórka pamięci to przerzutnik zbudowany z tranzystorów bipolarnych lub MOS) - dynamiczne (komórka pamięci to tranzystor MOS i mikrokondensator o wartości ok.. 50·10-15F 210 Klasyfikacja pamięci półprzewodnikowych ROM Pamięci pp RAM MASK ROM, MROM (MOS) PROM (bip., MOS) EPROM (MOS) EEPROM (MOS) Flash EEPROM (MOS) DRAM (dynamiczne) SRAM (statyczne) FIFO 211 Podstawowe parametry pamięci - pojemność (ilość komórek) wyrażona w bitach (b), bajtach (B), kilobitach (Kb), kilobajtach (KB) itd.. 1 bajt = 8 bitów 1 Kbajt = 210 bajtów=1024 bajtów - organizacja zapisu i odczytu może odbywać się pojedynczymi bitami lub słowami (każde słowo może składać się z np.. 8, 16 itd. bitów) - adres to liczba w postaci binarnej, której przyporządkowana jest dana komórka pamięci - czas dostępu mierzony jest od chwili podania adresu do chwili otrzymania informacji. 212 Pamięć składa się z dużej liczby komórek (nawet setek milionów) tworzących matrycę. Każda z tych komórek to struktura tranzystora MOS z kanałem indukowanym. linia bitów (S) linia słów (G) linia bitów (D) n+ n+ p zmiana nazw elektrod !!! D linia bitów (BL) linia słów (WL) G S Gdy tranzystor przewodzi to Gdy tranzystor nie przewodzi to 1 logiczna 0 logiczne 213 Przewodzenie lub nieprzewodzenie tranzystora zależy od tego czy UT tranzystora jest mniejsze czy większe od napięcia w linii słów. Napięcie UT zależy z kolei od rodzaju i grubości dielektryka w prostej strukturze MOS (zwykły tranzystor MOS) lub od tzw. stanu ładunkowego w bardziej rozbudowanych strukturach (np..EPROM, EEPROM). 214 Dwa rodzaje pamięci ROM: a) bez możliwości modyfikacji zapisanej informacji (MASKROM, PROM), b) z możliwością modyfikacji zapisanej informacji (np. EPROM, EEPROM, Flash EEPROM)) Ad. a 1 0 0 0 1 U UT niskie, tr. przewodzi (U>UT) W L UT wysokie, tr. nie przewodzi (U<UT) 215 Pamięć PROM – programowanie wykonywane jest przez użytkownika (ale tylko jeden raz - OTP) Ad.b Przekrój komórki pamięci EPROM (Erasable ROM). Dodatkowa elektroda – bramka pływająca (swobodna), „otoczona” dielektrykiem. S bramka SiOsterująca 2 G źródło n+ bramka pływająca D dren n+ p 216 bramka 0V sterująca SiO2 źródło n+ 25V e p bramka pływająca n+ 16 V dren Gdy potencjały jak na rysunku to: - elektrony tunelują do bramki pływającej, - elektrony nie mogą opuścić bramki pływającej, bo otoczona jest dielektrykiem, - wzrost UT o wartość UT= QFG/C QFG – przyrost ładunku bramki pływającej C – pojemność bramka sterująca-bramka pływająca 217 bramka sterująca 0V promieniowanie UV źródło bramka 0V pływająca 0V SiO2 e n+ n+ dren p UV dostarcza energii elektronom, które przechodzą do drenu i elektrody sterującej, UT maleje. 218 Odczyt informacji napięcie odczytu między UT a UT + UT 219 G S bramka sterująca D bramka pływająca n+ n+ n+ n+ p Dzięki cieńszemu tlenkowi potrzeba mniejszej energii do kasowania (możliwość kasowania elektrycznego). 220 Pamięć Flash EEPROM Budowa pamięci Flash EEPROM jest b. podobna do EEPROM. Podstawowa różnica to b. cienki tlenek. Czas zapisu odczytu jest krótki. Zapis i odczyt całymi słowami (komórka pamięci 1tranzystorowa) (w EEPROM pojedynczymi bitami) 221 Pamięć o dostępie swobodnym – dostęp do każdej komórki pamięci jednakowo łatwy i odbywa się w jednakowym czasie. Dwa rodzaje pamięci: - pamięć S-RAM (pamięć statyczna) - pamięć DRAM (pamięć dynamiczna) 222 Pamięć S-RAM Przerzutnik przewodzi lewy lub prawy tranzystor gdy przewodzi np.. lewy tranzystor to odczyt 1 logicznej, gdy prawy to odczyt 0 logicznego Wada: mały stopień scalenia, Zalety: pamięć szybka (<10ns), proste zasilanie Zastosowanie – pamięć cache 223 BL WL SiO2 n+ p WL n+ C tranzystor MOS C (MOS) Informacja – ładunek zgromadzony w kondensatorze Zapis – podanie odpowiedniego potencjału na linię bitu (BL) i włączenie tranzystora dodatnim impulsem podanym na linię słów powoduje przepływ prądu przez tranzystor i naładowanie kondensatora Odczyt – przepływ prądu z kondensatora do linii bitów. Odczyt wymazuje informację. 224 komórka pamięci Kolejne fazy odczytu informacji z danej komórki pamięci – proces stosunkowo długi. Zalety- duży stopień scalenia (tr. MOS), niska cena, Wady – stosunkowo wolne, skomplikowane zasilanie (odświeżanie ładunku w kondensatorze) 225 U= -5V U= -10V U= -5V n obszar zubożony -5V -10V n ++++ -5V -5V n -10V -15V ++++ Zastosowanie – skanery, cyfrowe aparaty fotograficzne i kamery wideo. 226 W analogowych (liniowych) układach scalonych występują sygnały ciągłe. sygnał cyfrowy sygnał analogowy Składają się one z pewnych wyspecjalizowanych bloków funkcyjnych, a nie z powtarzalnych „komórek” jak to było w układach cyfrowych. Większość układów analogowych realizowana jest w skali SSI i MSI. 227 Systematyka A. Profesjonalne np. - wzmacniacze operacyjne - komparatory, - stabilizatory, - przetworniki C/A i A/C B. Powszechnego użytku np. - radiowo-telewizyjne, - motoryzacyjne, - magnetowidowe 228 Struktura analogowych układów scalonych Podstawowe bloki funkcjonalne 1. Układy polaryzacji i dopasowania poziomu napięć a) układ polaryzacji napięciowej i prądowej b) układ przesuwający poziom napięcia 2. Układy obróbki sygnału a) wejście – doprowadzenie sygnału b) wzmacniacz różnicowy c) obciążenie d) stopień wyjściowy 229 Układy polaryzacji i dopasowania poziomu napięć Zadaniem układu polaryzacji jest ustalenie punktów pracy poszczególnych przyrządów np..tranzystorów, diod. I stopień II stopień UCC Niezależna polaryzacja każdego tranzystora w układzie dyskretnym (duże C i R) 230 Układy polaryzacji i dopasowania poziomu napięć W US - utrudniona realizacja dużych C i R inne sposoby zasilania np. Układ Widlara U CC U D R I I C 2 I B więc I UCC I IC T1 IB IC R IB T2 UD IC 0 I B 0 0 U CC U D IC I 2 0 2 0 R 2 U CC U D IC U CC f (0 ) R Układ ten stosuje się gdy IC nie jest zbyt mały np. przy IC=5A dla UCC=5V potrzeba R=1M. Niewykonalne w US. 231 Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz operacyjny – wzmacniacz o b. dużym wzmocnieniu (>1000V/V), bezpośrednich sprzężeniach, przeznaczony do pracy z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym. +Uc wejście odwracające fazę wyjście wejście nieodwracające fazę -Uc Zasilanie symetryczne ! 232 Wzmacniacz operacyjny Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym R Uw e Uw y Wielkość sprzężenia zwrotnego (wartość R) ma zasadniczy wpływ przede wszystkim na wzmocnienie napięciowe (ku) i maksymalną częstotliwość pracy (fgr) wzmacniacza. 233 Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza operacyjnego R ku fgr1 Gdy R to ku fgr2 fgr3 f fgr 234 R1 Rf wzmacniacz odwracający fazę Uwe U wy Rf R1 U we wzmacniacz nieodwracający fazę R1 Rf U wy R f R1 R1 U we Uwe 235 Wzmacniacz logarytmiczny R1 Uwe Uwy ~ ln (Uwe/R1) Wzmacniacz sumujący Rf R1 – + R2 Uwe1 Uwe2 Rp Uwy U wy U we1 U we 2 R f R2 R1 236 Wzmacniacz różniczkujący Rf C – Uwe + Rp U wy Uwy dU we R f C dt 237 Wzmacniacz operacyjny C R1 – Uwe + Rp Uwy U wy 1 U we dt R1C Generator przebiegu prostokątnego R3 – + C R1 1 f ~ C R2 238 Komparator napięcia – układ porównujący napięcie wejściowe z napięciem odniesienia. – układ przetwarzający sygnał analogowy na cyfrowy. Stabilizator napięcia - układ utrzymujący stałą wartość napięcia niezależnie od wahań napięcia wejściowego i prądu obciążenia 239 Stabilizator napięcia • stabilizatory nastawne (uniwersalne) o regulowanej stabilizowanej wielkości napięcia wyjściowego np.2...4V • stabilizatory nienastawne (lokalne) o jednej wartości napięcia stabilizowanego, regulowanej w wąskim zakresie. 240 Stabilizator napięcia Podstawowe parametry: • zakres napięć wejściowych (np.+8,5...+50V) • zakres napięć wyjściowych (np.. +4,5...+40V) • napięcie różnicowe we-wy tj. minimalna wartość różnicy napięć na we i wy stabilizatora, przy której działa on jeszcze poprawnie (np.3V) 241 • współczynnik stabilizacji napięcia U wy U we U wy U we • 100% % (np. 0,06 % ) współczynnik stabilizacji obciążeniowej tj. względna zmiana napięcia wyjściowego przy zmianie prądu obciążenia od min. do max. współczynnik tłumienia tętnień tj. iloraz między szczytowych wartości napięcia tętnień (np.. 20mA) na wyjściu i wejściu stabilizatora (np.. 0,01%) • maksymalny prąd wyjściowy • 242 Dwojaka postać informacji : -cyfrowa, - analogowa Informacja analogowa – sygnał wyjściowy proporcjonalny do sygnału wejściowego Informacja cyfrowa – informacja w postaci dyskretnej (jest sygnał lub nie ma sygnału) 243 Główne zalety cyfrowej postaci sygnału: - duża odporność na zakłócenia i szumy sygnał cyfrowy zakłócenia sygnał cyfrowy+zakłócenia próg cyfrowy sygnał cyfrowy odebrany komparator 244 Przetworniki A/C i C/A Podstawowe cechy charakterystyczne sygnału analogowego: - niemożliwość przechowywania różnych typów danych na jednym rodzaju nośnika 245 - duża wrażliwość układów analogowych na rozrzut parametrów elementów - „odszumienie” sygnału analogowego bardzo trudne - konwersja sygnału analogowego wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń (konwersja sprzętowa). próbkowanie sygnał analogowy A/C H sygnał analogowy kompresja przetwarzanie H filtracja C/A H H dekompresja 246 Sygnały w przyrodzie mają charakter analogowy, człowiek reaguje na sygnały analogowe. Sygnał cyfrowy ulega przetworzeniu w mózgu człowieka na sygnał analogowy. Konwersję sygnału analogowego na cyfrowy i cyfrowego na analogowy przeprowadza się odpowiednio przy pomocy przetwornika analogowo-cyfrowego A/C (ADC – Analog Digital Converter) i cyfrowo-analogowego C/A (DAC – Digital Analog Converter) 247 Przetworniki A/C i C/A Przetwornik A/C (ADC – Analog Digital Converter) przetwarza sygnał Analogowy na sygnał Cyfrowy Dwa etapy konwersji: • próbkowanie • kwantyzacja Próbkowanie – badanie wartości sygnału co pewien określony czas Kwantyzacja – zamiana otrzymanych wartości dyskretnych badanego sygnału na system binarny 248 Próbkowanie Un-1 Un sygnał próbkowany Ts t1 t2 . tn U1 U2 . Un Ts – czas próbkowania (zależy od częstotliwości sygnału podlegającego konwersji) 249 Próbkowanie Uwe sygnał analogowy t Uwy t Uwy t niska częstotliwość próbkowania wysoka częstotliwość próbkowania 250 Zasada Nyquista Szybkość próbkowania musi być dwa razy większa od najwyższej częstotliwości próbkowanego sygnału Przykłady: max. częstotliwość sygnału telefonicznego 4kHz – próbkowanie 8kHz (125s) wieża Hi-Fi - max. częstotliwość sygnału 20kHz – próbkowanie 40kHz (44,1kHz) sygnał wideo - max. częstotliwość 6MHz – próbkowanie 12 MHz (83,3ns) 251 Kwantyzacja Kwantyzacja – konwersja poziomu analogowego na najbliższy skwantowany poziom 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 1000 1101 0010 1110 252 Sygnał podzielony na 16 dyskretnych poziomów (n=4 bity) 1111 – najwyższy poziom 0000 – najniższy poziom Każdy poziom analogowy aproksymowany najbliższym poziomem dyskretnym błędy kwantyzacji Błąd kwantyzacji 1 n 100% 2 253 Najprostsze przetworniki A/C to wzmacniacz operacyjny i komparator. Komparator napięcia – układ porównujący napięcie wejściowe z napięciem odniesienia. – układ przetwarzający sygnał analogowy na cyfrowy. +10 Uwe wzmacniacz operacyjny Uwy komparator 0 Uodniesienia Uwy -10 Uodniesienia Uwe 254 Niedogodności wzmacniacza operacyjnego jako komparatora: -nietypowe napięcie wyjściowe (+15V lub – 15V) -bardzo stroma charakterystyka przejściowa (duża wrażliwość na zakłócenia) Pojedynczy komparator pełni funkcję przetwornika jednobitowego. 255 źródło napięcia odniesienia 1 2 Układ logiczny 3 2n-1 2 wejście analogowe n 256 Sygnał wejściowy dostaje się równocześnie na n równolegle połączonych wejść komparatorów. Każdy z komparatorów ma inne napięcie odniesienia (dzielnik rezystorowy). Gdy Uwe>Uodniesienia to na wy 1 logiczna, gdy Uwe<Uodniesienia to na wy 0 logiczne. Częstotliwość próbkowania – setki MHz, mała dokładność (10 bitów) Przetwornik kompensacyjny – częstotliwość próbkowania - k·10 kHz, duża dokładność 257 Uodn I1 I2 R 2R In 2n-1 R 1/2R a1 a2 an + U0 Gdy klucz zamknięty to na we 1 logiczna Gdy klucz otwarty to na we 0 logiczne Napięcie na wyjściu proporcjonalne do ilości „zamkniętych” kluczy 258 U0 RU odn a1 a2 a3 an n 1 2 R 2R 4R 2 R n – ilość kluczy (bitów) Pi – wartość danego bitu (0 lub 1) Po konwersji C/A otrzymany sygnał ma postać schodkową. U t 259 sygnał cyfrowy C/A filtr sygnał analogowy Filtr dolnoprzepustowy stosuje się aby pozbyć się schodków. sygnał cyfrowy C/A U f sygnał analogowy R Uwe Uwy C 1 f 2RC częstotliwość przy której wzmocnienie spada o 3dB 260 Wprowadzenie Optoelektronika to dział elektroniki zajmujący się wzajemnym oddziaływaniem energii promieniowania świetlnego i energii elektrycznej, oraz wykorzystaniem tego oddziaływania w systemach informatycznych. Zakres fal: (UV) 0,15m...30m (IR) (tj. 8eV...0,04 eV) 261 Potencjalne zastosowanie wiązki laserowej 262 Przykładowy tor światłowodowy sygnał wy akustyczny sygnał we np.. akustyczny przetwornik akusto-elektryczny przetwornik elektro-optyczny przetwornik elektroakustyczny światłowód wzmacniak przetwornik optoelektroniczny Podstawowe elementy i podzespoły techniki światłowodowej to: • nadajniki i odbiorniki optoelektroniczne • światłowody i kable światłowodowe • bierne i aktywne elementy sieci i urządzeń światłowodowych 263 Są to urządzenia, które przetwarzają: sygnał elektryczny sygnał świetlny sygnał świetlny sygnał elektryczny nadajniki odbiorniki Nadajniki to przede wszystkim – elektroluminescencyjne diody LED oraz lasery pp Odbiorniki to fotodetektory (np. diody PIN, diody lawinowe) oraz cała gama układów przetwarzania sygnału, modulacji i zasilania. 264 Elementy bierne - wykonane są z reguły na bazie światłowodów włóknistych – złącza światłowodowe, sprzęgacze, filtry optyczne itd.. Elementy aktywne – wykorzystują wpływ pola elektrycznego, magnetycznego, temperatury, fali dźwiękowej na właściwości optyczne materiałów (np. na współczynnik załamania światła). 265 Przykładowe możliwości zastosowań optoelektroniki — zastosowania telekomunikacyjne o wysokiej przepustowości — wykorzystanie czujników światłowodowych w metrologii, np. w automatyce — komputerowe sieci optoelektroniczne (duża odporność na zakłócenia) — przekształcanie obrazów z zakresu widma niewidzialnego na widmo widzialne — mikroobróbka laserowa (nanoszenie warstw, nacinanie struktur, doregulowywanie rezystorów cienkowarstwowych) — makroobróbka wiązką dużej mocy 266 Przykładowe możliwości zastosowań optoelektroniki — zastosowania medyczne (neurochirurgia, chirurgia oka, chirurgia plastyczna) — holograficzne techniki obserwacji obiektów trudnodostępnych — przetwarzanie energii słonecznej na elektryczną 267 Światłowody W światłowodach do transmisji danych wykorzystywana jest wiązka światła i jej całkowite odbicie wewnętrzne. Ze względów technicznych używa się światła o długościach fali świetlnej: = 0,85 m = 1,3 m = 1,55 m okna – dla tych długości fal jest najmniejsze tłumienie sygnału w światłowodach kwarcowych 268 Wykorzystanie optoelektroniki do przekazu informacji O jakości przekazu decyduje „wskaźnik gęstości mocy Q” 1 Q 2 P f 2 c c – prędkość światła 3·108 m/s P – moc generowanej fali [W] f – częstotliwość fali [Hz] 269 Przykład a) układ elektroniczny : moc emitowanej fali 1W, częstotliwość generowanej fali nośnej 1GHz Q=103 W/m2 b) układ optoelektroniczny: moc lasera ok. 10mW częstotliwość fali świetlnej 300THz Q=1010W/m2 różnica 10 mln razy !!! 270 Przewaga linii optycznej nad klasyczną częstotliwość fali świetlnej ok. 100 GHz (modulacja falą o częstotliwości >1 GHz) mniejsze wymiary i masa kabla światłowodowego niż kabla miedzianego (10kg Cu=1kg szkła) izolacja łączonych urządzeń (izolacja elektryczna) odporność na zakłócenia elektromagnetyczne brak pasożytniczych sprzężeń między przewodami małe straty (o wiele mniejsze niż w linii elektrycznej) 271 Światłowodowy trakt w systemie optoelektronicznym może mieć różną długość: A. najkrótszy - w przyrządach optoelektronicznych zwanych transoptorami (zawierają diodę elektroluminescencyjną wytwarzającą światło pod wpływem pobudzenia elektrycznego, warstwę materiału przezroczystego dla światła (żywica lub szkło) oraz fotodetektor na wy. Transoptor zapewnia brak bezpośredniego sprzężenia we z wy (np. modem ) 272 B. Krótkie i bardzo krótkie trakty optyczne występują w elementach optyki zintegrowanej (optoelektroniczne odpowiedniki układów scalonych) – są to odcinki światłowodów planarnych (paskowych). C. długie i bardzo długie trakty optyczne - występują w sieciach lokalnych i dalekosiężnych – od metrów do tysięcy kilometrów. 273 Efektywność przekazu informacji wymaga: — „dopasowania” źródła sygnału do światłowodu tj. zapewnienia by możliwie duża część energii świetlnej ze źródła była przyjmowana przez światłowód i podlegała w nim propagacji — zapewnienia minimalnych strat w światłowodzie i minimalnego rozmycia sygnału (dyspersji). — zapewnienia odpowiedniej czułości detektorów 274 Budowa światłowodu Światłowód dielektryczny to włókno (lub pasek) z przezroczystego materiału, optycznie gęstszego niż otoczenie (rdzenia> płaszcza , nrdzenia> npłaszcza ) Wykorzystywane zjawisko – całkowite wewnętrzne odbicie fala wyciekająca fala płaszczowa n2 n1 fala rdzeniowa 275 •Budowa typowego światłowodu: • rdzeń (kwarc, polimer) • płaszcz (b. czyste szkło kwarcowe, tworzywo sztuczne) • powłoka ochronna (guma silikonowa) 276 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia zachodzi gdy kąt padania światła na granicę z ośrodkiem optycznie rzadszym jest większy od kąta granicznego (kr) . n2 sin kr n1 płaszcz rdzeń Przykładowo: dla n1=1,48 i n2=1,46 kr=80,6º 277 Światłowody NA sin n n 2 1 2 2 Apertura numeryczna (NA) światłowodu Optymalizacja sprzężenia źródła światła ze światłowodem wymaga by światło ze źródła mieściło się w kącie bryłowym o kącie rozwarcia 2=-2kr (-kąt akceptacji). Przez odpowiednie domieszkowanie rdzenia można uzyskać w nim współczynnik załamania zmieniający się „płynnie” wzdłuż promienia światłowodu - w odróżnieniu od światłowodu skokowego jest to wówczas światłowód gradientowy. 278 światłowód wielomodowy gradientowy światłowód jednomodowy r n (r ) r n (r ) r n( r) światłowód wielomodowy skokowy 279 Wyróżnia się trzy rodzaje promieni: - poosiowe – prostoliniowe wzdłuż osi, - meridialne (południkowe) – przecinające oś światłowodu, w skokowych – łamane, w gradientowych krzywoliniowe - spiralne (helikalne, skośne) – nie przecinające osi światłowodu – w skokowych – łamana spiralna, w gradientowych – linia śrubowa 280 Dla danego promienia określa się stałą propagacji nk n 2 0 n-współczynnik załamania, 0- długość fali w próżni 281 Traktując światło jako falę elektromagnetyczną dochodzimy do dyskretnych wartości wektorów E i H zwanych modami. 282 Sygnał optyczny wprowadzany do światłowodu rozkłada się na szereg charakterystycznych rozkładów pola elektrycznego (modów). Każdy z modów przenosi część mocy impulsu z zachowaniem jego charakterystyki czasowej ale z charakterystycznym dla danego modu rozkładem mocy. Podstawowym parametrem w analizie modowej jest wielkość V 2 a 0 NA a - średnica światłowodu Liczba modów w światłowodzie wynosi: N=0,5V2 W światłowodach wielomodowych może sięgać wielu tysięcy 283 O właściwościach transmisyjnych światłowodów decydują trzy czynniki: 1. Dyspersja sygnału (poszerzenie impulsu lub szerokość pasma częstotliwości transmitowanych sygnałów)\ 2. tłumienność światłowodu – łączne straty transmisji sygnału optycznego 3. efektywność sprzężenia światłowodu ze źródłem światła wyrażona przez kąt akceptacji światłowodu () lub aperturę numeryczną (NA) 284 Dyspersja sygnału Dyspersja – zjawisko, w którym prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od jej częstotliwości. T we t wy t ()ma ()max =T/2 T2 x Max. szybkość transmisji: B 1 1 T 2 [bit/s] 285 Przepływność informacji: (pojemność informatyczna) 1 BL 2 L L Mb s km dyspersja na jednostkę długości [ns/km] L – odległość transmisji 286 Dla światłowodu wielomodowego dyspersja wielomodowa = tmax-toś tmax - czas przejścia przez światłowód modu dla kąta padania bliskiego granicznemu (max. czas przejścia promienia w światłowodzie) toś - czas przejścia promienia poosiowego (najkrótszy czas przejścia promienia w światłowodzie) 287 Światłowód skokowy = 10...100ns (BL 100 Mb/s·km) Tego rodzaju światłowody stosuje się dla odległości 1...3 km i mają one wtedy duże średnice (>100m) – dobre sprzężenie ze źródłami światła. Światłowód gradientowy = 1...10ns (BL 1200 Mb/s·km) stosowane średnice ok. k·10m (typowy 50 m /125 m ) 288 Światłowód jednomodowy Dyspersja międzymodowa nie występuje. Dyspersja falowo-chromatyczna – różne czasy przejścia fal o różnej długości (różne v) Dyspersja chromatyczna (materiałowa) – zależność współczynnika załamania szkła od długości fali świetlnej tmat=DL D – współczynnik dyspersji - szerokość linii ze źródła światła 289 Dyspersja zależy od stosowanej długości fali świetlnej i szerokości widmowej źródła światła. dla laserów 3...5nm dla LED 40...70nm (=0,85m) lub 120...150nm (= 1,3m) Dyspersja materiałowa 0,2 1,0 1,6 [m] -0,2 laser LED (2nm szer.widma) (50nm szer.widma) 290 Dyspersja falowodowa – różne czasy przejścia światła w rdzeniu i płaszczu Dyspersja falowo-chromatyczna = 2...3ps BL 10 GHz·km 291 Dyspersja - podsumowanie 292 Światłowody Tłumienność światłowodu – określa ilość traconego światła w rdzeniu światłowodu. Tłumienność optyczna – funkcja logarytmiczna w dB (3dB strata ok.. 50% światła) źródło wtrącenia mikrozgięcia detektor straty sprzężenia złącza 0,1...0,5dB 1,5dB straty sprzężenia rozpraszanie 3...15dB absorpcja wypromieniowanie materiałowa straty transmisji 0,2...5 dB/km 293 Dla długich światłowodów głównym rodzajem strat są straty transmisji w samym światłowodzie Podstawowe składowe strat transmisji: • absorpcja fizyczna • rozpraszanie na wtrąceniach (Fe, Cr, jony OH) • rozpraszanie na mikrozgięciach i mikropęknięciach na granicy rdzeń-płaszcz. 294 Charakterystyka tłumienności Okna – długości fal przy których jest minimalne tłumienie. Typowy wykres tłumienności dla światłowodu kwarcowego. 295 Efektywność sprzężenia Apertura Numeryczna NA sin n n 2 1 2 2 fala wyciekająca fala płaszczowa fala rdzeniowa dla światłowodu skokowego (Si) = 0,242 dla światłowodu gradientowego =0,208 (=14º) (=12º) 296 Sprawność sprzężenia (pojemność energetyczna) źródło-światłowód zależy od dopasowania charakterystyki kątowej źródła i kąta akceptacji światłowodu. Dioda LED (półsferyczna – kąt emisji 180º) - słabe dopasowanie. Stosuje się optyczny układ dopasowujący zapewniający transmisję ok. 70% emitowanej energii w światłowodzie wielkoaperturowym (skokowy – NA=0,3..0,5). 297 Laser – lepsze dopasowanie (transmisja ok. 60% emitowanej energii w światłowodzie średnioaperturowym (gradientowym NA=0,2) i ok. 10% w małoaperturowym (jednomodowy- NA =0,12). Wpływ apertury numerycznej na sprawność sprzężenia (pojemność energetyczną) i pojemność informatyczną BL (przepływność informacji) światłowodu. Pf 2 NA pojemność energetyczna Ps Pf – moc promieniowania w światłowodzie Ps– moc promieniowania źródła 1 BL 2 NA pojemność informatyczna 298 Porównanie światłowodów światłowód jednomodowy • duża pojemność informatyczna • mała pojemność energetyczna światłowód skokowy • duża pojemność energetyczna • mała pojemność informatyczna światłowód gradientowy •dość duża pojemność energetyczna •dość duża pojemność informatyczna 299 Przykładowe parametry światłowodu jednomodowego: średnica rdzenia 3m pojemność informatyczna 8Gb·km/s tłumienność 0,2dB/km rozstaw wzmacniaków 200km Zastosowania – związane z długością stosowanej fali świetlnej (oknem) I okno 0,85m 10..20km -wszystkie rodzaje światłowodów II okno 1,3m 30..40km - gradientowe, jednomodowe III okno 1,55m 150..200 km - jednomodowe 300 Źródła światła Najczęściej wykorzystywane źródła to: • diody elektroluminescencyjne LED, • lasery – głównie półprzewodnikowe Wykorzystuje się w nich fakt, że w tzw. półprzewodnikach z prostą przerwą energetyczną (należą do nich materiały z grupy AIIIBV np.GaAs, GaAsP) występuje zjawisko rekombinacji promienistej, której produktem jest światło. W krzemie mającym skośną przerwę energetyczną energia rekombinacji przekazywana jest atomom sieci krystalicznej materiału – fonony 301 Diody elektroluminescencyjne (LED) W wyniku polaryzacji złącza p-n w kierunku przewodzenia do obu typów półprzewodnika wstrzykiwane są nośniki (dziury do „n” i elektrony do „p”). Tam rekombinują z nośnikami większościowymi – powstaje promieniowanie. częstotliwość promieniowania Wg / h p Wg n Wc h h Wv 302 sprawność kwantowa wewnętrzna wew wew N fotonów wewn N nosników sprawność kwantowa zewnętrzna zewn zewn N fotonów zewn N nośośnik O stosunku obu sprawności decyduje m. in. kształt diody dioda półsferyczna dioda planarna 303 Sprawność kwantowa zewnętrzna diody półsferycznej jest większa niż planarnej. Dioda półsferyczna nie nadaje się do współpracy ze światłowodem – mały kąt akceptacji światłowodu, lepsza dioda planarna. Wprowadzenie domieszek do pp zmienia kolor świecenia diody: dioda GaAsP – barwa czerwona (0,65m) dioda GaAsN domieszkowana azotem (podstawienie N w miejsce P) – barwa zielona 304 Częstotliwość graniczna modulacji k·100MHz, moc wyjściowa ok. 1mW. W sieciach optoelektronicznych stosuje się diody heterozłączowe (np. AlGaAs/GaAs) -o emisji powierzchniowej SLED (Surface LED) - o emisji krawędziowej ELED (Edge LED) - superluminescencyjne SLLED 305 Mają one moce wyjściowe większe niż dla homozłączowych (do kilkunastu mW) a mniejszą szerokość pasma (do 20MHz) Pwy [mW] 4 SLLED 3 SLED 2 1 ELED 100 200 I[mA] 306 Na wyjściu stosuje się optyczne układy dopasowujące np.. kulistą soczewkę w SLED dla poprawienia sprawności. Parametry diod a) moc promieniowania wprowadzana do światłowodu typowo 0,85m 200 W 1,3 m 20W max. sięga 1mW 307 b) pasmo modulacji: typowo: do 20MHz dla SLED do 300MHz dla ELED max. sięga 1 GHz c) szerokość widma promieniowania 0,85 m 20...150nm 1,3 m d) sprawność energetyczna e) gęstość prądu ok.. 10% rzędu 1000A/cm2 308 Lasery W konwencjonalnych źródłach światłach (włókna żarowe, wyładowania – neony reklamowe, świecenie luminoforu) światło powstaje przy powrocie atomów wzbudzonych do stanu równowagi (niższej energii). Taka spontaniczna emisja źródła światła może dawać wiązkę światła, w której każdy promień jest w innej fazie względem drugiego, kwanty promieniowania mogą mieć różną częstotliwość i biegną w różnych kierunkach. takie światło nazywamy światłem niekoherentnym (niespójnym). Wiązka niekoherentna ma niewielką intensywność. Fala koherentna (spójna) – fala, w której wszystkie promienie mają jednakową częstotliwość , fazę i biegną w jednym kierunku 309 Intensywność fali niekoherentnej i koherentnej Intensywność fali sinusoidalnej Asin=Asin(t) wynosi A2. Dla światła niekoherentnego, składającego się z N fal o różnych fazach (1 2 3... N ) intensywność wynosi I= A12+A22+...AN2 = N·A2 Emisja spontaniczna 2 1 2 1 2 h1 2 1 310 Dla światła koherentnego, składającego się z N fal o jednakowej fazie i częstotliwości intensywność I wynosi I=(A1+A2+...AN)2 = N2·A2 2 h12 1 inwersja obsadzeń Emisja wymuszona 2 h 12 1 h12 dwa fotony: z rekombinacji i pierwotny Inwersja obsadzeń – więcej nośników w stanie wzbudzonym niż podstawowym. 311 Lasery Zasada działania b.podobna do LED. Inwersję obsadzeń otrzymuje się przez „przepuszczenie” przez złącze p-n b. dużego prądu. Fotony emitowane w wyniku spontanicznej rekombinacji stymulują akty wzbudzenia i rekombinacji. Wzbudzenie – absorpcja fotonu, przejście elektronu do pasma przewodzenia h1 2 Wc Wc WV WV 312 Rekombinacja – fotony stymulują przejście elektronu z pasma przewodnictwa do podstawowego. emisja fotonu o tej samej częstotliwości i fazie co foton pierwotny (promieniowanie koherentne) 2 1 inwersja obsadzeń 2 h 12 1 h12 313 warstwa aktywna - pp. „p” o Wg< niż p (tam zachodzi rekombinacja) 314 Obszary „n” i „p” bardzo silnie domieszkowane moc promieniowania emisja wymuszona emisja spontaniczna prąd progowy prąd złącza 315 Rodzaje laserów 316 W celu zwiększenia intensywności światła stosuje się rezonatory optyczne (lustra). powierzchnia lustrzana elektrody powierzchni a lustrzana obszar aktywny Ze względu na duże gęstości prądu progowego niezbędne jest chłodzenie 317 Podstawowe parametry laserów • sprawność ok. 30% • moc ciągłego promieniowania setki mW • pasmo modulacji ok. 10 GHz • szerokość widmowa ok..2nm .0,01nm (jednomodowe) 318 Detektory Rolę detektorów promieniowania w układach optoelektronicznych pełnią fotodiody półprzewodnikowe Głównie stosuje się: • fotodiody PIN • fotodiody lawinowe • fotodiody oparte na złączu Schottky’ego 319 Fotodiody PIN to diody powstałe przez rozdzielenie obszarów „p” i „n” obszarem półprzewodnika „i”. h p+InAlAs i InGaAs n+ InGaAs n+ InP Przy polaryzacji zaporowej złącza najsilniejsze pole elektryczne występuje w obszarze pp „i”, co zmniejsza w bardzo dużym stopniu czas potrzebny na rozdzielenie nośników wygenerowanych w obszarze „i” po wpływem światła Diody PIN mają niska czułość prądową 320 Fotodiody lawinowe Fotodiody lawinowe to złącze p-n spolaryzowane zaporowo napięciem bliskim napięcia przebicia dielektryk h n+ p p+ kontakty omowe obszar zubożony Powstałe pod wpływem światła w warstwie zubożonej nośniki nabywają od pola elektrycznego energię wystarczającą do zapoczątkowania zderzeń jonizacyjnych. 321 Fotodiody oparte na złączu Schottky’ego kontakt omowy antyrefleksyjna warstwa dielektryczna h SiO2 półprzezroczysta warstwa metalu n- kontakt omowy n+ pół-izolacyjne podłoże W wyniku pochłonięcia przez pp fotonów następuje generacja pary elektron – dziura. Nośniki te zostają rozdzielone (patrz dioda PIN) przez pole elektryczne występujące w warstwie zubożonej metal-pp. Częstotliwość pracy takich diod wynosi ok.. 100GHz 322 Fotodiody MSN (Metal Semiconductor Metal) złącza Schottky’ego niedomieszkowana warstwa półprzewodnika kontakty metalowe - niski prąd ciemny, - szerokie widmo 323 Wprowadzenie do miernictwa elektrycznego Pojęcia podstawowe Pomiar to proces poznawczy polegający na porównaniu za pomocą doświadczenia fizycznego wielkości mierzonej z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę miary. Wynik pomiaru może mieć postać liczbową lub graficzną (wykres; oscyloskop) Pomiary dzielą się na: • bezpośrednie • pośrednie 324 Pomiar bezpośredni – w wyniku którego otrzymujemy wartość badanej wielkości (np.. pomiar napięcia za pomocą woltomierza) Pomiar pośredni – w którym interesującą wartość określamy obliczeniowo (pośrednio) na podstawie danych otrzymanych w wyniku bezpośrednich pomiarów innych wielkości (np. wzmocnienie wzmacniacza oblicza się na podstawie wartości Uwe i Uwy) Obiektem pomiaru jest wielkość mierzalna tj. cecha zjawiska, ciała lub substancji, którą można wyróżnić jakościowo i wyznaczyć ilościowo 325 Wielkości ciągłe (np.. napięcie w sieci) i ziarniste (dyskretne, skwantowane np.. widmo promieniowania, sygnał Morse’a) Wielkości aktywne (do pomiaru nie są potrzebne dodatkowe źródła energii np.. temperatura, natężenie prądu) i pasywne (np. rezystancja). Jednostki miary – obowiązujący układ SI (International System of Units) – siedem jednostek podstawowych: długość m masa kg czas s natężenie prądu A temperatura K liczność materii mol światłość cd 326 Wynik pomiaru różni się od rzeczywistej wartości wielkości mierzonej (niedoskonałość doświadczenia) Błąd pomiaru to różnica między wynikiem pomiaru a wartością prawdziwą wielkości mierzonej (błąd bezwzględny) – przy czym jako wartość prawdziwą przyjmuje się średni wynik wielu pomiarów wykonanych różnymi przyrządami i metodami. Błąd względny pomiaru to stosunek błędu pomiaru (bezwzględnego) do wartości mierzonej (często w %) 327 Błąd przypadkowy to różnica między wynikiem pomiaru a średnią z nieskończonej liczby wyników pomiarów tej samej wielkości wykonanych w warunkach powtarzalności (np. błąd paralaksy) Błąd systematyczny to błąd, który przy wielu pomiarach tego samego obiektu, w tych samych warunkach pozostaje stały tak co do wartości jak i znaku – jego przyczyną może być np. błąd metody, błędy wzorcowania (skalowania) a) b) Analogia do błędu przypadkowego (a) i systematycznego (b) Błędy pomiarowe mogą wynikać z niewłaściwego doboru przyrządu pomiarowego lub zastosowania niewłaściwej metody pomiarowej. a) niewłaściwy dobór przyrządu pomiarowego – pomiar napięcia R=2k; I=10mA; bez obecności woltomierza U = I.R = 20 V I=const w układzie z woltomierzem o rv=1k: U I=const R V U R V R rv 2 Rz k R rv 3 U = I.R = 6,7V 329 natomiast gdy rv=1M to wtedy: U I=const R V R rv Rz 1,99 k R rv U=10mA. 1,99k=19,9V 330 b) dobór odpowiedniej metody pomiarowej: 1. Metoda dokładnego pomiaru napięcia i mA i i rA U R V Miliamperomierz wskazuje sumę prądu iR i iV. Błąd pomiaru i tym mniejszy im rV większe od R. 331 2.Metoda dokładnego pomiaru prądu UR UA R mA V rA Woltomierz wskazuje sumę napięć UR i UA. Błąd wskazań jest tym mniejszy im rA mniejsze. 332 Wzorce miar Wzorce są to narzędzia odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotności. Wzorcem o największej dokładności jest etanol. Etanol jest przeznaczony wyłącznie do przekazywania jednostki miary innym wzorcom. Wzorzec miary prądu elektrycznego Etanolem jednostki miary prądu elektrycznego jest waga prądowa 1, 2 – cewki połączone szeregowo, przez które płynie prąd elektryczny o natężeniu I, 3,4 – ramiona wagi 333 Wzorzec miary natężenia prądu Siła F1 jest równoważona siłą ciążenia Fm=mg Na ramię „3” wagi działa siła elektrodynamiczna F1=k·I2 gdzie k - stała k·I2=mg Stąd: I mg k 334 Wzorzec miary napięcia Etanolem podstawowym napięcia stałego jest wzorzec składający się z 20 nasyconych ogniw Westona Wartość SEM tego ogniwa w temp. 20ºC wynosi od 1,01854V do 1,01873V Wadą tego etanolu jest zależność SEM od czystości użytych materiałów i od temperatury. Tendencja – definiowanie jednostki miary napięcia za pomocą zjawisk molekularnych (efekt Josephsona) 335 Przyrządy Pomiarowe Klasyfikacja wg. spełnianych funkcji: - mierniki - rejestratory (X-Y, x-t) - liczniki - detektory zera 336 wg. sposobu przedstawiania wyników - analogowe (np.. Wskaźnikowe, rejestratory) – wynik przedstawiony w sposób ciągły - cyfrowe – wynik przedstawiony w postaci dyskretnej (cyfrowej) wg. fizycznej zasady działania np.. - mierniki magnetoelektryczne - mierniki elektrodynamiczne 337 Mierniki analogowe - wskaźnikowe Mierniki magnetoelektryczne Mierniki magnetoelektryczne stanowią jedną z grup tzw. mierników elektromechanicznych i są najczęściej stosowane jako przyrządy wskazówkowe. Zasada działania polega na oddziaływaniu pola magnetycznego magnesu trwałego (stałego) i pola wytworzonego przez cewkę z prądem elektrycznym. Siła oddziaływania jest proporcjonalna do prądu płynącego przez cewkę. 1. 2. 3. 4. 5. magnes trwały rdzeń stalowy cewka sprężynka doprowadzająca prąd wskazówka 338 Jeśli przez cewkę płynie prąd stały to na boki cewki działają siły powodujące jej obrót. Kąt obrotu jest proporcjonalny do natężenia prądu cewki i wynosi: 1 BNdbIc k B – wielkość indukcji magnetycznej N – ilość zwojów cewki d – szerokość cewki b – długość boku cewki umieszczonej w polu magnetycznym Ic – natężenie prądu płynącego przez cewkę k – moment zwrotny sprężynki 339 1;2 cewka nawinięta na ramce 3 wskazówka 4 sprężynki 5 ciężarki wyważające 6 ośka 7 łożysko 8 rdzeń ferromagnetyczny 9 nabiegunniki 10 korektor zera 11 magnes stały 340 Podstawowy miernik to miernik natężenia prądu , w którym prąd płynie bezpośrednio przez cewkę (amperomierz bezpośredni). Amperomierze bezpośrednie budowane są z reguły na prądy od 1A do 25mA (wyjątkowo do 500mA) – ograniczenia termiczne. Aby rozszerzyć zakres pomiarowy stosuje się boczniki Natężenie mierzonego prądu I wynosi: Rw IU I 1 Rb 341 Amperomierz wielozakresowy 342 Woltomierz Przetwornik magnetoelektryczny stosuje się również do pomiaru napięcia. W tym celu szeregowo z przyrządem włącza się rezystor (posobnik) I Mierzone napięcie U wynosi: U=I(RMn+Rw) Rezystancja woltomierzy wynosi od 1000/V do 100k/V. Im większa rezystancja woltomierza tym mniejsze obciążenie prądowe badanego obiektu. 343 Omomierz Miernik magnetoelektryczny stosuje się również do pomiarów rezystancji – omomierz. Dwa rodzaje omomierzy: -szeregowe - równoległe 344 Omomierz W omomierzu szeregowym szeregowo z przyrządem magnetoelektrycznym włącza się rezystor manganianowy Rs o takiej wartości, że przy zwartych zaciskach omomierza płynie prąd pełnego wychylenia miernika o natężeniu: 345 Eo I m ax Ro Rw Rs Ro – rezystancja wewnętrzna źródła napięcia Rw – rezystancja wewnętrzna miernika Po włączeniu mierzonej rezystancji Rx natężenie prądu w układzie wynosi: Eo I m ax Ro Rw Rs Rx 346 Zakładając, że Rw+Ro+Rs=const=R otrzymuje się wzór określający kąt wychylenia wskazówki od wartości rezystancji Rx. 1 max R 1 x R max – maksymalne wychylenie wskazówki przy Rx=0 Podziałka omomierza szeregowego jest nierównomierna. Najdokładniejszy pomiar jest dla środkowej części zakresu. omomierze szeregowe mają dużą rezystancję wewnętrzną i nadają się do pomiarów dużych wartości rezystancji. 347 W omomierzu równoległym mierzona rezystancja włączona jest równolegle do cewki miernika. Podziałka tego omomierza jest odwrócona w stosunku do omomierza szeregowego Omomierz równoległy jest lepiej przystosowany do pomiaru małych rezystancji. 348 Mierniki elektromagnetyczne Zasada działania ustroju elektromagnetycznego polega na wzajemnym oddziaływaniu jednego lub kilku elementów ruchomych wykonanych z materiału ferromagnetycznego i pola magnetycznego wytwarzanego przez jedną lub kilka cewek, w których płynie mierzony prąd. – zasada działania elektromagnesu. Pierwszy miernik elektromagnetyczny 349 Multimetry analogowe Multimetrami lub miernikami uniwersalnymi nazywa się mierniki wielozakresowe (np.. zakresy 0,15; 0,6; 3; 15; 60; 300; 1500mA) i wielofunkcyjne (np.. pomiary prądu i napięcia stałego lub przemiennego, pomiar rezystancji) Niektóre multimetry umożliwiają pomiary np.. pojemności, stosunku dwu napięć, temperatury, parametrów tranzystorów itd.) 350 Multimetry analogowe 1 – rdzeń nieruchomy 2 – rdzeń ruchomy 3 – cewka Kąt wychylenia wskazówki proporcjonalny jest do kwadratu natężenia/2 (kwadratu wartości skutecznej) przepływającego przez cewkę prądu. Tak więc miernik działa zarówno przy prądzie stałym jak i przemiennym. Właściwości – prosta budowa, duża niezawodność (brak ruchomej cewki) przeznaczone do pomiarów prądów przemiennych. 351 Oscyloskop Oscyloskop jest stosowany do obserwacji i analizy kształtu czasowych przebiegów okresowych lub nieokresowych napięcia i prądu. Charakteryzuje się m. innymi dużą rezystancją wejściową, dużą czułością napięciową i dużym zakresem częstotliwości badanych przebiegów (0..20GHz) 352 Oscyloskop Strukturalny schemat oscyloskopu analogowego Rozróżniamy oscyloskopy jednostrumieniowe (możliwość obserwacji tylko jednego sygnału) i dwustrumieniowe (możliwość obserwacji jednocześnie dwu różnych sygnałów) 353