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) miniaturyzacja
b) obniżka ceny (w Pentium 10 -4 – 10 -5 zł/tranzystor)
c) wzrost niezawodności
d) wzrost częstotliwości
e) wzrost iloczynu P max • f
f) zmniejszenie szumów (fluktuacje, słabe sygnały)
Rys.1.2.Prawo Moore’a
21

• 2. Podstawowe definicje
Prąd elektryczny – uporządkowany ruch ładunków
elektrycznych
Natężenie prądu
I
Q
t
(przepływ stały)
ogólnie
i – natężenie prądu
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
0
k 1
i
1
i4
i2
i3
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.
v 1 + v 2 + 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.
V R
i
R
27

Opór czynny i bierny
Opór elektryczny czynny (rezystancja) – miara
oporu, jaki dany element stawia przepływowi
ładunku elektrycznego.
-rezystywność
R
zwana oporem właściwym, jest
oporem elementu o jednostkowej długości i
jednostkowym polu przekroju poprzecznego
l
S
-rezystywność –cecha materiału
28

Reaktancja X (opór bierny) – charakteryzuje obwód
elektryczny zawierający pojemność lub/i
indukcyjność.
Reaktancja
cewki
X L
L
Reaktancja
kondensatora
1
X C
C
29

Przepływ prądu przemiennego –magazynowanie
energii w polu elektrycznym i magnetycznym
ogólnie:
U i X
L, C L,
C
L
C
X
X X L C
30

Impedancja (Z)- wypadkowa oporu
czynnego (R) i biernego X
Z
R
2
X
2
lub
Z=R+jX
31

Obwód rezonansowy
rezonans gdy
X
L
X
C
U L
i L
i C
oporność wypadkowa =
(rezonans prądów)
U C
oporność wypadkowa =0
(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
Admitancja
Y
R
1
jL
jC
35

Szeregi wartości - wartości
znamionowe ułożone są w szeregi
geometryczne
q
n
10
gdzie n= 6; 12; 24
E6 = 1 1,5 2,2 3,3 20%
E12 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 10%
36

Kolor Cyfra Mnożnik Tolerancja
brak 20%
srebrny 10 -2 10%
złoty 10 -1 5%
czarny 0 1
brązowy 1 10 1%
czerwony 2 10 2 2%
pomarańc
zowy
3 10 3
żółty 4 10 4
zielony 5 10 5 0,5%
niebieski 6 10 6 0,25%
fioletowy 7 10 7 0,1%
szary 8 10 8 0,05%
biały 9 10 9
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 -19 J)
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. Ge x Si 1-x
0

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
N
poziom jonizacji
L
M
poziom walencyjny
K
n=1 (max. 2 elektrony)
W
(energia)
Jądro atomu
Maksymalna liczba atomów na
danej orbicie =2n 2
45

energia zerowa w
nieskończoności
pasmo przewodnictwa (elektrony
swobodne)
pasmo
walencyjne
jądra
46

Model pasmowy ciała stałego
pasmo przewodnictwa
W c
W G
pasmo zabronione
W v
pasmo walencyjne
Rozszczepienie poziomów (tyle poziomów ile atomów- odległość między poziomami
~10 -23 eV )
47

Klasyfikacja materiałów z użyciem modelu
pasmowego
energia
pasmo przewodnictwa
W g ~
>5 eV izolatory
do 5 eV półprzewodniki
brak metale
W g =W c -W V
pasmo walencyjne
pasmo
zabronione
materiał Ge Si C GaAs InSb
W g (eV) 0,7 1,1 5 1,35 0,18
W c
W V
odległość
48

Nośniki prądu w półprzewodniku
Półprzewodnik samoistny
Pasmo przewodzenia
Pasmo przewodzenia
W G
rekomb.
gener.
elektron
dziura
T=0K
T>0K
49

Si
Si Si Si
Si
Si Si Si
dziura
e
Si
Si
Si
Si
n – koncentracja wolnych elektronów
p– koncentracja dziur
n = p = n i – 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
W d
T=0 K T300K
nN d >>(n i ,p)
52

Półprzewodnik typu „p”
(akceptory: B, Al, In, Ga – III grupa)
Si
Si
Si
Si
Si
Si
dziura
B
Si
Si
Si
Si
Si
53

pasmo przewodnictwa
pasmo przewodnictwa
W a
T=0 K T300K
pN a >>(n i , n)
54

1. Bezładne ruchy cieplne (~10 5 m/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
układ dąży do wyrównania
koncentracji nośników
mało elektronów
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 – prędkość cząstki [m/s]
v=·E
E – natężenie pola elektrycznego [V/m]
- ruchliwość [m 2 /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/m 2 ]
- konduktywność [1/(m)]
60

Dwie składowe prądu unoszenia – dziurowa i
elektronowa
Kierunek przepływu prądu
J u =J up +J un
dla elektronów: J un =qnv n = qn n E
v n
dla dziur: J up =qpv p = qp p E
61

62
konduktywność
( p )
n
up
un
u
p
n
q
E
J
J
E
J
półprzewodnik samoistny
i
p
n
i
i
n
p
n
en
)
(
p
n
eN
en
n
d
n
n
półprzewodnik „n”
półprzewodnik „p”
n
p
eN
ep
p
a
p
n

Zależność konduktywności od temperatury
dla pp „n” lg n =lge+lgn+lg n (q=e)
lg n
N d
jonizacja
domieszek
1/T
lg
rozpraszanie na
fononach
rozpraszanie na
jonach
domieszki
lg
N d
1/T
„i”
1/T
63

Dyfuzja nośników
Dyfuzja – ruch pod wpływem gradientu koncentracji
J Dn =qD n grad n
J Dp = qD p grad p
D – współczynnik dyfuzji (m 2 /s)
W równowadze J=J un +J Dn =0 - dla pp typu „n”
64

Wzory Einsteina
(łączą unoszenie z dyfuzją)
D
n
kT
q
n
D
p
kT
q
p
65

półprzewodnik jednorodny
+ +
+++
+
+
N d
+
+
+
+
+
+
+
+
+
półprzewodnik niejednorodny
N d
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
x
x
66

+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
E wbud
E
kT
q
1
N
d
dN
dx
d
J u +J D =0
67

Absorpcja fotonu:
-generacja pary elektron dziura w pp „i”
-jonizacja donora lub akceptora w pp domieszkowym (T )
elektron
W
W
W
dziura
W g
W c
W v
W d
+
W c
W v
-
W c
W a
W v
„i”
„n”
„p”
Warunek:
h
W g dla pp „i”
W c -W d dla pp „n”
W a -W v dla pp „p”
68

n
generacja
t
rekombinacja
stała czasowa =10 -2 ...10 -1 s.
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
hiperbola
U
= en n R~1/n ~ 1/
70

1. Złącze p-n
Rodzaje złącz:
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 – jony donorów
– elektrony + jony akceptorów
72

-
+
+ - +
-
+
+
p
+
-
+
–
- -
+
– + - –
+
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+ +
+ +
–
–
+
+
+
–
–
+
–
+
+
–
n
+
+
–
+
–
–
–
+
–
+
U D – napięcie dyfuzyjne
Napięcie na złączu U=U D < 0
73

p n
+ –
–
–
p
–
– –
–
–
–
–
–
–
I elektr
–
–
–
+ +
I
+
dziur
+ + +
+ + + +
+
n
+
+
+
+ - U
I D =I dziur + I elektr
U zasil
Napięcie na złączu U=U zasil – U D

Wzrost wielkości bariery potencjału (ten sam zwrot
napięcia zasilającego i dyfuzyjnego), zwiększenie
szerokości warstwy zubożonej. – prąd nasycenia I s
+ +
+ – +
+ –
–
I s
p
p
–
+
– –
+
–
+
+ – –
–
–
–
–
–
–
–
–
U
– +
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+ +
–
n
+ n–
+
– +
–
+
–
–
I s
–
+
–
+
U zasil
Napięcie na złączu U= -U zasil -
U D
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 exp
1
kT
I
s wzór Schockley’a
76

I
I
mA
U
U
eU
I exp
1
kT
I
s wzór Schockley’a
77

Model złącza idealnego uzupełnia się o zjawiska wykluczone
założeniami idealizującymi
Kierunek przewodzenia
1. Rezystancja szeregowa R S
U
I
U RS
–
DI
+
R s
U zasil
I
U zasil =U+U RS
eU e U
zasil
I RS
I
S
exp 1
I
S exp
1
kT kT
78

Wpływ rezystancji szeregowej na charakterystykę złącza
p-n
ch-ka diody idealnej
I
ch-ka R s
ch-ka wypadkowa
U DI U Rs
U zasil
U
79

DI
Kierunek zaporowy
1. Rezystancja równoległa złącza
R r
I
R r – rezystancja równoległa (upływu) -
niedoskonałości powierzchni pp.
model zastępczy złącza p-n
dla prądu stałego
R
U
s
I
R r
R r
DI
charakterystyka wypadkowa
80

I
U przeb
U
W stanie polaryzacji zaporowej następuje
gwałtowny wzrost prądu, gdy napięcie osiąga
wartość zwaną napięciem przebicia (U p ).
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 (10 7 ..10 8 V/m) ; - napięcie polaryzacji
pojedyncze volty
x
Zachodzi gdy Up

Przebicie lawinowe – w złączu o znacznej
grubości nat. pola elektrycznego wynosi ok.10 6 V/m.
możliwa staje się jonizacja zderzeniowa przez
rozpędzone elektrony. ma ona charakter lawinowy
gdy l>>.
gdy U p >
gdy U p <
W g
6
e
W g
4
e
przebicie
lawinowe
przebicie Zenera
W g
W g
gdy 4 < U p < 6 oba mechanizmy
e
e
jednocześnie
83

Kierunek zaporowy (przed przebiciem) – wzrostowi
temperatury towarzyszy generacja par elektron-dziura, rośnie więc
ilość nośników mniejszościowych (wzrost prądu nasycenia).
1
I
R
dI
dT
R
7 9% / K
przyrost T o 10K dwukrotny wzrost prądu
I
U
T
84

dU
dT
2mV
/
I=const
K
Przyrost temperatury o 10K spadek napięcia o ok.. 10 – 20%
I
T
U
85

Warunki przebicia złącza p-n
–
+ U p =U p (0)[1+·T]
U p
U
przebicie
Zenera
przebicie
lawinowe
U
T
I
T
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
U
detektor
promieniowania
III ćwiartka
fotoogniwo
IV ćwiartka
88

U zasil
R 0
U Ro +U diody =U zasil
89

Czułość widmowa
detektora:
C
I
f
P
f
()
I f – prąd fotoelektryczny
P – moc promieniowania
Częstotliwość pracy foto detektora
C ~
C _
1
0,707
f gr
f
Częstotliwość osiąga wartość k•10 MHz, w
rozwiązaniach specjalnych GHz
90

I zw – prąd zwarcia
E f – siła elektromotoryczna (I=0)
R opt – 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
kT
I
gdy I=0 to U=E f stąd
f
kT
E
f ln 1
e
I
I
f
s
P
P
elektr
Sprawność: 100 %
prom
• 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 A II B VI
93

Pojemność warstwy zaporowej C T (złączowa)
Pojemność C T związana jest z ładunkiem przestrzennym
donorów i akceptorów w warstwie zaporowej.
p Q p Q n n
+
– – –
– – – – + –
dQ
+ + – +
– + – +
+
+
– –
C T
–
+ + +
+
+ –
dU
– – –
+ –
– + – – –
+
– + + + +
–
+
+ +
+ –
+ +
–
U D – napięcie
dyfuzyjne
C
T
m
U=0 to C=C
U
0
Co
1
U
U - to C 0
D U to C
|U D |
94

Napięcie zasilające złącze u=U o + U m sin(t)
U o - składowa stała
U m – 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 C dyf
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
U wyy
Napięcie
stałe
Dioda powinna mieć:
małe R s
,
duże U p,
duże R r
U wyy
t
98

Diody detekcyjne i mieszające
99

Diody pojemnościowe
+
-
L
C1
C2
Zmiana napięcia na diodzie powoduje zmianę jej
pojemności (złączowej). Pojemność diody dodaje się do
pojemności C 1
; zmienia się częstotliwość rezonansowa
układu.
100

Charakterystyka I=f(U) diody stabilizacyjnej
I
I Zmin
hiperbola mocy
maksymalnej
P max
U Zmax U Zmin
Zakres liniowy rezystancja dynamiczna
charakterystyki
U
Z max
U
Z min
rd
I
Z max
I
Z min
I Zmax
Im r d
mniejsze tym lepszy efekt stabilizacji
101

Stabilizator oparty na diodzie Zenera
R s
U we 10%
R obc
U Zmax U Zmin
I
I Zmin
I Zmax
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 (A m ) i półprzewodnika (A p )
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
eme
epp
R me
R złącza R pp
105

Złącze m-s
A m A s
me pp „n” me
pp „n”
epp
epp
eme
eme
R me

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
E
p n p
C
E
n
p
n
C
E
B
C
E
B
C
B
B
111

1. Praca aktywna normalna
złącze E-B
złącze C-B
kierunek przewodzenia
kierunek zaporowy
praca jako
wzmacniacz
I
I E
EB
CB
I’ E
I’ C
I C
U
I C
112

2. Zakres odcięcia
złącze E-B
złącze C-B
kierunek zaporowy
kierunek zaporowy
3. Zakres nasycenia
złącze E-B kierunek przewodzenia
złącze C-B kierunek przewodzenia
praca jako
klucz
4. Zakres inwersyjny
złącze E-B kierunek zaporowy
złącze C-B kierunek przewodzenia
113

p n p
I E
U EB
Emiter
Baza Kolektor
I B
U CB
I C
+ - + -
I E =I C + I B
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
U E >U B >U C
n-p-n
U E

Polaryzacja złącz w poszczególnych układach pracy
OB OE OC
Polaryzacja złącz tranzystora bipolarnego z
jednego źródła napięcia
116

Układ OB
I
I
C
(np. 0,99)
E
I C jest nieco mniejsze niż I E 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
I
C
B
I
IC
I
E
C
1
(np.99)
I
I
I
I
I
E C B
Układ OC: C
1
B
B
(np. 100)
118

Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
Parametry czwórnika można opisać związkami prądów i napięć np.:
I 1 I 2
U 1
U 2
6 możliwych par równań trzy następujące mają
największe znaczenie praktyczne:
a) równaniami mieszane U 1 =f(I 1 ,U 2 )
I 2 =f(I 1 ,U 2 )
119

Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
U 1 =f(I 1 ,I 2 )
U 2 =f(I 1 ,I 2 )
I 1 =f(U 1 ,U 2 )
I 2 =f(U 1 ,U 2 )
I 1 I 2
U 1
b) równania impedancyjne
c) równania admitancyjne
U 2
120

Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
Równania mieszane
U 1 =f(I 1 )|
U 1 =f(U 2 )|
U 2 =const
I 1 =const
ch-ki wejściowe
ch-ki oddziaływania wstecznego
I 2 =f(I 1 )|
I 2 =f(U 2 )|
U 2 =const
I 1 =const
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
U EB =f(I E )
UCB =const
ch-ki wejściowe
U EB =f(U CB )
I E =const
ch-ki oddziaływania wstecznego
I C =f(I E )
UCB =const
ch-ki przejściowe (prądowe)
I C =f(U CB ) IE =const
ch-ki wyjściowe
E
I >0
E I 0
EB
U

Charakterystyki i parametry statyczne
tranzystora bipolarnego
E
I >0 E I

Parametry statyczne tranzystora
bipolarnego
- współczynnik wzmocnienia prądowego ( lub )
- maksymalna moc admisyjna P a =I C •U wy
- maksymalny prąd kolektora I C
- maksymalne napięcie U CB i U CE (groźba przebicia
złącza kolektorowego)
- napięcie nasycenia (minimalna wartość napięcia
U CE )
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
E 1
E 5
E g
U C
100%
90%
10%
t
t
t d – czas opóźnienia
t r – czas narostu
t s – czas magazynowania
t f – czas opadania
t on
t off
t d t r t s t f
126

Gdy:
u EB =U oEB + U EBm sin(t)
u CB =U oCB + U CBm sin(t)
U EBm

– admitancyjne i 1 =f(u 1 ,u 2 )
i 2 =f(u 1 ,u 2 )
y mn
– mieszane (hybrydowe) u 1 =f(i 1 ,u 2 )
i 2 =f(i 1 ,u 2 ) h mn
W praktyce stosuje się przede wszystkim równania mieszane, gdyż
parametry macierzy h mn mają łatwą interpretację fizyczną i
graficzną (nachylenia charakterystyk).
równania mieszane:
u 1 =h 11·i 1 + h 12·u 2
i 2 = h 21·i 1 + h 22·u 2
128

h
h
h
h
11
12
21
22
1
u
i 2 =0
1
u
u
u
i
i
2
1
i
u
1
2
2
2
i 1 =0
u 2 =0
i 1 =0
impedancja wejściowa
współczynnik sprzężenia
współczynnik wzmocnienia
prądowego
admitancja wyjściowa
129

Parametry h mn (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
t całk =t EB + t B + t CB
opóźnienie w
warstwie
zaporowej E-B
opóźnienie
w bazie
opóźnienie w
warstwie
zaporowej B-C
Dominujący wpływ opóźnienia w bazie (t B )
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
2. f – częstotliwość w ukł. OE., przy której wartość
współczynnika wzmocnienia prąd. 0 dla prądu stałego
maleje do wartości
0
2
3. f 1 – częstotliwość, przy której wartość współczynnika
wzmocnienia prądowego w układzie OE maleje do 1
4. f T – ekstrapolacja części opadającej wykresu (f) o
stałym nachyleniu do przecięcia z prostą =1
5. f max – częstotliwość niezależna od układu pracy, przy
której wzmocnienie mocy maleje do 1
0
2
132

0
0
2
1
f
f T
f 1
f max
f
f

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
df
kT
const
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.
P 1
P
tranzystor
2
P sz1
P sz2
P
P
sz 2
2
F
P
P
sz1
1
P 1 , P 2 – moc sygnału odpowiednio na
wejściu i wyjściu czwórnika
F
1
k
P
P
sz 2
sz1
P sz1 , P sz2 – moc szumów odpowiednio na
wejściu i wyjściu czwórnika
136

P
P
sz 2
2
F
1
k
F
P
P
sz 2
sz1
P
P
sz1
1
F [dB]
10
5
0
1/f
F dB =10 log F
spadek
wzmocnienia
10 2 10 4 10 6 10 8 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

–
S (źródło)
z
2a
+D
(dren)
L
Konduktancja
kanału
G
DSo
1
R
K 0
2az
L
n
2az
L
e
n
N
d
Prąd elektronowy I D =G DSo·U DS
140

Zasada działania tranzystora PN FET
G
warstwa
zubożona
S
n
p
p
D
U GS
+ –
– +
U DS
G
U DS >0
U GS 0
I D daje spadek potencjału na rezystancji kanału i różnicuje polaryzację
GS, różnicując grubość warstwy zubożonej
141

S G D
n + n +
n
p
„p”
G
Symbole graficzne
tranzystorów PN FET
D
S
G
D
S
tranzystor z
kanałem „n”
możliwe układy pracy OS, OG OD
najczęściej OS
tranzystor z
kanałem „p”
142

I D I D
U GS =0
II
U GS =-0,5
U DS =5V
I
U GS =-1,0
U p U GS = -2,0
III
U GS [V]
-1
5
U DS [V]
ch-ka przejściowa
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
S G
D
n + n +
n
p
C G-S
C G-D
C G-K
144

Praca z małymi sygnałami (liniowa)
m.cz. - parametry dla zakresu nasycenia
konduktancja wy
g
ds
I
U
D
DS
b. mała wartość 0
konduktancja
przejściowa
(transkonduktancja)
g
m
I
U
D
GS
w.cz. – parametry rozłożone
145

- moc admisyjna k. 1W...k. 10W
- rezystancja we k. 10 M...k. 1G
- transkonduktancja g m k.1...kilkunastu mA/V
146

Tranzystory polowe ze złączem
Schottky’ego MESFET
Przeznaczone do pracy przede wszystkim w zakresie
b.w.cz. (mikrofalowym)
„n + ”
S G D
podłoże GaAs
(półizolacyjny)
„n + ”
„n”
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

I D I D
U GS =0
U GS =-0,5
U DS =5V
U GS =-1,0
U p U GS = -2,0
U GS [V]
-1
5
U DS [V]
Parametry
szumy 2...4 dB przy 2...10 GHz
moc 1...2W przy 8...10 GHz
transkonduktancja g m 20...100mS
148

Stacjonarny ładunek na powierzchni półprzewodnika realizowany w
układzie
metal-izolator -półprzewodnik
Struktura MIS dla napięcia U GS =0
bramka metalowa (M)
izolator (I)
pp „n” (S)
149

Zubożenie (U GS

G
Obszar „p”
U GS

Akumulacja (U GS >0)
G
S
obszar „n + ”
U GS >0
obszar „n”
Warstwa przypowierzchniowa wzbogaciła się o dodatkowe
elektrony
152

Tranzystor z kanałem
indukowanym
S
G
D
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”
S(-)
n +
G(+)
D(+)
n +
kanał indukowany
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
U GS

Gdy izolatorem jest SiO 2 (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 U T
napięcie progowe – napięcie U GS , 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 C S-G , C G-P , C D-G
b) skończonego czasu przelotu nośników w kanale
C G-S
C G-D
C G-K
pojem. źródło-bramka
pojem. dren – bramka
pojem bramka – podłoże (kanał)
159

a) napięcie progowe U T (3..5V)
b) rezystancja wejściowa (~10 12 ...10 13 ) Tera
c) napięcie przebicia U DS
d) rezystancja S-D przy I Dmax (tr. włączony)
e) rezystancja S-D przy I D =0 (tr. wyłączony)
f) moc maksymalna
g) szumy ok.. 20 dB
h) transkonduktancja g m
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
Układy
funkcjonalne
Układy
scalone
o różnych
kształtach
o jednak.kształtach
(mikromoduły)
warstwowe
monolityczne (pp)
cienkowarstwowe
grubowarstwowe
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..10 4 oczek/cm 2 ) półpłynne pasty rezystywne,
przewodzące lub dielektryczne - suszenie i wypalanie
(1000 o C) – 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
(SiO 2 ).
164

pola kontaktowe
warstwa
rezystywna
możliwość doregulowywania
rezystancji przez np. nacinanie
laserowe lub elektroiskrowe.
struktura: me-izolator - me
wartości: 10 pF...10nF
okładki
metalowe
kondensator
izolator
Technologia bardziej precyzyjna, ale droższa- zastosowanie w
sprzęcie profesjonalnym
165

Na płytce Si lub GaAs
każdy „prostokąt” to IC
(chip)
x
u
z
y
Każdy układ scalony
składa się z
pojedynczych
elementów pp.
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
podłoże „p”
p
G
pF
p
n
p
R p
podłoże „p”
168

n
n
SiO 2
n
poly Si
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
start
n
n
p
p
p
wytworzenie kolektora
wytworzenie bazy
p
E B K n +
p n +
p
n
p (podłoże)
p
wytworzenie emitera
170

Realizacja tranzystorów
E B C
p
p
n
p
tranzystor
wertykalny
(podłożowy)
= 0,5...5
E C B
p p
n
p
p
tranzystor boczny
(lateralny)
= ok. 1.. 20

Tranzystor unipolarny MOS
G
S D
G
S D
T 1 p (podłoże) T 2
Nie wymaga wyspy izolacyjnej – duża gęstość upakowania
NMOS U p = -1,5..-2V (PMOS –3,5..-5V)
172

S
G
D
S
G
D
p + p +
n
PMOS
n + n +
p
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
K
A
K
A
I C =0
U przeb
2..10 V
C-B
A
K
K
A
I E =0
U przeb
10..100 V
174

ezystor bazowy (wykonywany w czasie realizacji baz
tranzystora n-p-n)
1
2
n
p
100

) rezystor emiterowy
1
2
n
n +
p
R

ezystor regulowany – (PN FET)
S G D
n
+
n
p
n
+
p (podłoże)
I D
-
|U G |
wykorzystuje się liniowy
zakres charakterystyki
I D
|U G |
U DS
R
+
1
U DS
R
2
177

Wykorzystuje się obszary tranzystora
kondensator złączowy niesymetryczny
1 2
C o
U 1-2
p
n
p
ważna polaryzacja elektrod !!
złącze C-B duże nap. przebicia >10V
złącze E-B niskie nap. przebicia

1 2
p
n
p
C
p
Kondensator MOS
U 1-2
Polaryzacja elektrod nieistotna
1
n
n + 2
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 SiO 2 )
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:
U H
– stan wysoki
U L
– 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
U H
U L
U wy
U H
U L
U we
2
1 2
t
t
1
–
2
–
czas propagacji przy
przejściu ze stanu
wysokiego do niskiego
czas propagacji przy
przejściu ze stanu
niskiego w stan wysoki.
czas propagacji
1
2
185

Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
P = U cc *I cc
P = P L +P H
P L
– moc pobierana w stanie niskim
P H
– moc pobierana w stanie wysokim
W niektórych układach (CMOS) moc pobierana przez układ w
chwili przełączenia jest większa niż w stanie ustalonym – wtedy:
P
U
T
cc
T
0
I
cc
(t)dt
U
cc
I
cc
śr
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 M ZL
- margines zakłóceń stanu wysokiego M ZH
M ZL
= U IL
- U 0L
M ZH
= U 0H
- U IH
187

Podstawowe parametry
cyfrowych układów scalonych
U wy
U 0H
Dla zakresu nap. wejściowych
0U IL
U IL
U IH
przełączenie
U 0L
U IL
U IH
U we
U IL – max. dopuszczalne nap. we na poziomie niskim, gdy jeszcze nie
nastąpi przełączenie.
U IH – min. nap. wejściowe na poziomie wysokim, gdy jeszcze nie
nastąpi przełączenie
U 0H – nap. wy odpowiadające stanowi wysokiemu
U 0L – nap. wy odpowiadające stanowi niskiemu
stan 1 na wyjściu
>U IH
stan 0 na wyjściu
188

Typowe wartości dla TTL
M ZL
=0,7-0,2 = 0,5V
Gdy amplituda zakłóceń

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
elektryczny schemat
zastępczy
we
A
B
zwarcie – 1
rozwarcie - 0
R o
wy
Bramka AND
A
1
0
1
Tabela prawdy
B
1
1
0
wy
1
0
0
0
0 0
191

elektryczny schemat zastępczy
Tabela prawdy
A
B
A
B
wy
zwarcie – 1
rozwarcie - 0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
Bramka NOT (negacja)
elektromagnes
wy
Tabela prawdy
A
wy
0 1
w
e
A
R o
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
e
A
B
R o
wy
193

A. Bipolarne np.:
TTL (transistor-transistor-logic)
IIL (I 2 L) (integrated injection logic)
ECL (emiter coupled logic)
z tranzystorami
nasyconymi
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
U CC
gdy we - 0 to U CE = U CC
gdy we - 1 to U CE = U CEnas
U we
U CE =U wy
U wy
U oH
U oL
U IL 2V U IH
U we
Typowe wartości dla bramki
TTL
U OH =5V; U OL =0,2V
Amplituda logiczna = 4,8V
M ZH = 0,5V
M ZL = 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
B
p
n
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

+U E
we C 1
C 2
C 3
n-p-n
p-n-p
Podstawowe parametry bramki I 2 L
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 T D - sterującego
i
Tranzystora T L - obciążenie
200

Warianty połączeń
T D T L :
PEMOS – PEMOS
PEMOS – PDMOS
NEMOS – NEMOS
NEMOS – NDMOS
CMOS
tranzystor T L
wy
tranzystor T D
PEMOS – PDMOS
201

Inwerter komplementarny CMOS
Układy CMOS – T D - tranzystor z kanałem indukowanym
typu „n ”
T L - tranzystor z kanałem indukowanym
typu „p”
we
T D
U SS
T L
C L
wy
Gdy U we = U ss to:
T D przewodzi, T L nieprzewodzi,
0 logiczne na wy
Gdy U we = 0 to:
T D nieprzewodzi, T L przewodzi,
1 logiczna na wy
202

Inwerter komplementarny CMOS
Moc pobierana w stanie ustalonym P S
mała (ok.0,05W).
Pobierana moc P rośnie z częstotliwością
przełączania f.
-bardzo
P=P S + C L·U 2 SS· 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 I 2 L
Marginesy zakłóceń – max. MOS (CMOS!)
204

Funktor NAND – szeregowe połączenie n tranzystorów
sterowanych (n wejść) i tranzystora obciążającego
T L
U DD
n
n we
2
1
wy
0 logiczne tylko gdy wszystkie
tranzystory T D przewodzą.
Liczba tranzystorów T D

Funktor NOR – równoległe połączenie n tranzystorów
sterowanych T D (bramka n-wejściowa). Liczba
tranzystorów ograniczona do 3, bo rośnie
pojemność wyjściowa i maleje f pracy
T L
U DD
wy
T D1
T D2
1 2 3
T D3
n
T Dn
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 -15 F
210

Klasyfikacja pamięci
półprzewodnikowych
ROM
MASK ROM, MROM
(MOS)
PROM (bip., MOS)
EPROM (MOS)
EEPROM (MOS)
Flash EEPROM (MOS)
Pamięci
pp
RAM
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 = 2 10 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)
zmiana nazw elektrod !!!
D
n +
p
n +
linia słów
(WL)
G
S
linia bitów
(BL)
Gdy tranzystor przewodzi to 1 logiczna
Gdy tranzystor nie przewodzi to 0 logiczne
213

Przewodzenie lub nieprzewodzenie tranzystora
zależy od tego czy U T tranzystora jest mniejsze czy
większe od napięcia w linii słów.
Napięcie U T 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
1 0 0 0
U
U T niskie, tr. przewodzi
(U>U T )
W
L
U T wysokie, tr. nie przewodzi
(U

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 G bramka D
SiOsterująca
2
pływająca
źródło n + dren n +
p
216

0V
bramka
sterująca
SiO 2
bramka
pływająca
25V 16
V
źródło
e
n + p
n +
dren
Gdy potencjały jak na rysunku to:
- elektrony tunelują do bramki pływającej,
- elektrony nie mogą opuścić bramki pływającej, bo otoczona
jest dielektrykiem,
- wzrost U T o wartość U T = Q FG /C
Q FG – przyrost ładunku bramki pływającej
C – pojemność bramka sterująca-bramka pływająca
217

0V
promieniowanie
UV
SiO 2
bramka
sterująca
0V
bramka
pływająca
0V
źródło
e
n + n +
p
dren
UV dostarcza energii elektronom, które przechodzą
do drenu i elektrody sterującej, U T maleje.
218

Odczyt informacji
napięcie odczytu między U T
a U T + U T
219

S
G
D
bramka
sterująca
bramka
pływająca
n +
n + n +
p
n +
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 1-
tranzystorowa)
(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 (

BL
WL
SiO 2
WL
n +
p
n +
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.
C
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 -5V -5V -10V -15V
n
++++ ++++
n
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
U CC
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
I
I C
C 0 B
C
R
0
I B
I B IC
I
2 0
2
U D
2 UCC
UCC
IC
f ( 0)
T 1 T 2
I
I
I
I
U
I
C
I
U
R
2I
CC
R
B
D
więc
0
U
U
D
0
CC
U
R
D
Układ ten stosuje się gdy I C nie jest zbyt mały np. przy I C =5A dla
U CC =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.
wejście
odwracające
fazę
+U c
wejście
nieodwracające
fazę
wyjście
-U c
Zasilanie symetryczne !
232

Wzmacniacz operacyjny
Układ wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym
R
U w
e
U w
y
Wielkość sprzężenia zwrotnego (wartość R) ma
zasadniczy wpływ przede wszystkim na
wzmocnienie napięciowe (k u ) i maksymalną
częstotliwość pracy (f gr ) wzmacniacza.
233

Charakterystyka częstotliwościowa
wzmacniacza operacyjnego
k u
R
f gr1
f gr2 f gr3
f
Gdy R to k u f gr
234

R f
U we
R 1
wzmacniacz odwracający fazę
U
wy
R
f
U
R
wzmacniacz nieodwracający fazę
1
we
R 1
R f
U
wy
R
f
R
1
R
1
U
we
U we
235

Wzmacniacz logarytmiczny
R 1
U we
U wy ~ ln (U we /R 1 )
Wzmacniacz sumujący
R1
R f
U we1
R 2
R p
–
U we2
+
U wy
U
wy
R
f
U
R
we1
1
U
R
we 2
2
236

Wzmacniacz różniczkujący
C
U we
+
R p
–
R f
U wy
U
wy
R
f
C
dU
dt
we
237

Wzmacniacz operacyjny
C
U we
R 1
R p
U
1
–
wy
+ U wy R C
1
U
we
dt
Generator przebiegu prostokątnego
R 3
C
–
+
f
~
1
C
R 1
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
U
wy
wy
U
U
we
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 A/C kompresja przetwarzanie
sygnał
analogowy
H
H
sygnał
analogowy
filtracja
H
C/A
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
U n-1
U n
sygnał
próbkowany
T s
t 1 U 1
t 2 U 2
. .
t n
U n
T s – czas próbkowania (zależy od
częstotliwości sygnału
podlegającego konwersji)
249

Próbkowanie
U we
U wy
t
t
sygnał analogowy
niska częstotliwość
próbkowania
U wy
t
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
1 100%
2 n
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
U wy
wzmacniacz
operacyjny
U we
0
komparator
U odniesienia
U wy
-10
U odniesienia
U we
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
2 n-1
wejście
analogowe
2
n
256

Sygnał wejściowy dostaje się równocześnie na n równolegle
połączonych wejść komparatorów.
Każdy z komparatorów ma inne napięcie odniesienia (dzielnik
rezystorowy).
Gdy U we >U odniesienia to na wy 1 logiczna, gdy U we

U odn
R 2R 2 n-1 R
I 1
1/2R
I 2
I n
a 1
a 2 a n -
+ U 0
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

U
0
RU
2
odn
a1
R
a2
2R
a3
4R
a
2
n
n 1
R
n – ilość kluczy (bitów)
P i – wartość danego bitu (0 lub 1)
Po konwersji C/A otrzymany sygnał ma postać
schodkową.
U
t
259

sygnał
cyfrowy
C/A
Filtr dolnoprzepustowy stosuje się aby pozbyć się
schodków.
filtr
sygnał
analogowy
sygnał
cyfrowy
C/A
U
f
sygnał
analogowy
R
U we U wy
C
f
2RC
1
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

sygnał we np..
akustyczny
Przykładowy tor światłowodowy
przetwornik
akusto-elektryczny
światłowód
sygnał wy
akustyczny
przetwornik elektroakustyczny
przetwornik
elektro-optyczny
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”
Q
1
c
2
P
f
2
c – prędkość światła 3·10 8 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=10 3 W/m 2
b) układ optoelektroniczny:
moc lasera ok. 10mW
częstotliwość fali świetlnej 300THz
Q=10 10 W/m 2
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 , n rdzenia > n płaszcza )
Wykorzystywane zjawisko – całkowite wewnętrzne odbicie
n 2
n 1
fala wyciekająca
fala płaszczowa
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 ) .
sin
kr
n
n
2
1
płaszcz
rdzeń
Przykładowo: dla n 1 =1,48 i n 2 =1,46 kr =80,6º
277

Światłowody
NA
sin
n
2
1
n
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=-2 kr (-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
r
n
(r
)
n
(r
)
światłowód
wielomodowy
skokowy
r
n(
r)
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
a
2
0
NA
a - średnica światłowodu
Liczba modów w światłowodzie wynosi:
N=0,5V 2
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
Max. szybkość
transmisji:
() ma
x
B
() max =T/2 T2
1
T
1
2
t
[bit/s]
285

Przepływność informacji:
(pojemność informatyczna)
B L
2
1
L
Mb
s
km
L
dyspersja na jednostkę długości [ns/km]
L – odległość transmisji
286

Dla światłowodu wielomodowego dyspersja
wielomodowa
= t max -t oś
t max - czas przejścia przez światłowód modu
dla kąta padania bliskiego granicznemu
(max. czas przejścia promienia w
światłowodzie)
t oś - 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
t mat =D L
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
-0,2
1,0 1,6
laser
(2nm szer.widma) LED
(50nm szer.widma)
[m]
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
złącza
sprzężenia
0,1...0,5dB
rozpraszanie
3...15dB absorpcja
materiałowa
wypromieniowanie
straty
sprzężenia
1,5dB
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
2
1
n
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.
P
f
P
s
NA 2
P f – moc promieniowania w światłowodzie
P s – moc promieniowania źródła
pojemność energetyczna
BL
1
NA 2
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 A III B V 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 W g / h
W g
p
h
n
h
W c
W v
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)
P wy [mW]
4
3
2
1
SLLED
SLED
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

) 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 ok.. 10%
e) gęstość prądu rzędu 1000A/cm 2
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 A 2.
Dla światła niekoherentnego, składającego się z
N fal o różnych fazach ( 1 2 3 ... N )
intensywność wynosi
I= A 12 +A 22 +...A N2 = N·A 2
Emisja spontaniczna
2
2
2
1 1
h 1
2
1
310

Dla światła koherentnego, składającego się z N
fal o jednakowej fazie i częstotliwości
intensywność I wynosi
I=(A 1 +A 2 +...A N ) 2 = N 2·A 2
h 12
1
Emisja wymuszona
inwersja
obsadzeń
2 2
h 12
1h 12
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
h 1
2
W c
W V
W c
W V
312

Rekombinacja – fotony stymulują przejście
elektronu z pasma przewodnictwa do
podstawowego. emisja fotonu o tej
samej częstotliwości i fazie co foton
pierwotny (promieniowanie koherentne)
inwersja
obsadzeń
2 2
h 12
1
1h 12
313

warstwa aktywna - pp. „p” o W g < niż p (tam
zachodzi rekombinacja)
314

Obszary „n” i „p” bardzo silnie
domieszkowane
moc
promieniowania
emisja
spontaniczna
prąd
progowy
emisja
wymuszona
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
obszar
zubożony
n +
p
Powstałe pod wpływem światła w warstwie
zubożonej nośniki nabywają od pola
elektrycznego energię wystarczającą do
zapoczątkowania zderzeń jonizacyjnych.
p +
kontakty
omowe
321

Fotodiody oparte na złączu
Schottky’ego
kontakt omowy
SiO 2
półprzezroczysta
warstwa metalu
h
n -
n +
antyrefleksyjna warstwa
dielektryczna
kontakt omowy
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
U we i U wy )
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
w układzie z woltomierzem o r v =1k:
U
I=const
R
V
R
z
I=const
R rv
R r
v
2
3
U
R
V
k
U = I.R = 6,7V
329

natomiast gdy r v =1M to wtedy:
I=const
U
R
V
R r
R
v
1,
99k
z
R r
v
U=10mA. 1,99k=19,9V
330

) dobór odpowiedniej metody pomiarowej:
1. Metoda dokładnego pomiaru napięcia
i
mA
r A
U R
i i
V
Miliamperomierz wskazuje sumę prądu i R i i V . Błąd pomiaru i
tym mniejszy im r V większe od R.
331

2.Metoda dokładnego pomiaru prądu
U R
R
V
U A
mA
r A
Woltomierz wskazuje sumę napięć U R i U A . Błąd wskazań jest tym
mniejszy im r A 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 F 1 jest równoważona siłą ciążenia F m =mg
Na ramię „3” wagi działa siła elektrodynamiczna F 1 =k·I 2
gdzie k - stała
k·I 2 =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. magnes trwały
2. rdzeń stalowy
3. cewka
4. sprężynka doprowadzająca prąd
5. 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
k
BNdbI c
B – wielkość indukcji magnetycznej
N – ilość zwojów cewki
d – szerokość cewki
b – długość boku cewki umieszczonej w polu magnetycznym
I c – 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:
I
1
R
R
w
b
I
U
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(R Mn +R w )
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 R s o takiej
wartości, że przy zwartych zaciskach omomierza płynie prąd pełnego
wychylenia miernika o natężeniu:
345

I
max
R
o
E
R
o
w
R
s
R o – rezystancja wewnętrzna źródła napięcia
R w – rezystancja wewnętrzna miernika
Po włączeniu mierzonej rezystancji R x natężenie prądu w
układzie wynosi:
I
max
R
o
R
w
E
o
R
s
R
x
346

Zakładając, że R w +R o +R s =const=R otrzymuje się wzór określający kąt
wychylenia wskazówki od wartości rezystancji R x .
1
max
R
1
x
R
max – maksymalne wychylenie wskazówki przy R x =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