Меню

Время установления прямого напряжения

Время установления: взгляд на форму сигнала

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Время установления (Settling time) – это время, необходимое операционному усилителю, чтобы отреагировать на прямоугольный импульс входного напряжения, а затем достичь дифференциального сигнала ошибки, который бы соответствовал конечному значению выходного напряжения. Эта характеристика важна для многих приложений. Таких, например, в которых быстроменяющиеся сигналы с выхода ОУ оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Но давайте заглянем за пределы сухих определений и сосредоточимся на характере изменения формы сигналов.

В главе 20 мы рассмотрели, как ОУ переходит из состояния ограничения скорости нарастания в область малых сигналов (рисунок 52). При этом можно заметить, что чем больше коэффициент усиления, тем более плавно выходной сигнал приближается к конечному значению.

Рис. 52. При увеличении коэффициента усиления замкнутого контура пропускная способность уменьшается и реакция замедляется

Рис. 52. При увеличении коэффициента усиления замкнутого контура пропускная способность уменьшается и реакция замедляется

Такая особенность связана с уменьшением полосы пропускания замкнутого контура при более высоком коэффициенте усиления. В этом примере операционный усилитель имеет запас по фазе 90° при G = 1. Обратите внимание, что перерегулирования нет даже при единичном усилении. Этот практически идеальный отклик служит эталоном для сравнения, но вы вряд ли найдете ОУ с таким большим запасом по фазе при G = 1.

Диаграмма отклика, представленная на рисунке 53, выглядит более реалистичной (и чуть более пессимистичной). Эти сигналы сформированы одним и тем же ОУ, но с запасом по фазе 35° при G = 1 (предыдущие идеальные результаты также показаны для сравнения). Уровень перерегулирования сигнала составляет приблизительно 32% при G = 1. Перерегулирование относится только к малосигнальной области. При большем входном воздействии уровень перерегулирования будет тем же, но из-за пропорционального изменения на графике он будет казаться меньше. Вот почему вы всегда должны проверять перерегулирование и стабильность при небольших входных воздействиях.

Рис. 53. Формы сигналов, производимых одним и тем же ОУ, но с запасом по фазе около 35° при G = 1

Рис. 53. Формы сигналов, производимых одним и тем же ОУ, но с запасом по фазе около 35° при G = 1

На рисунке 54 показано увеличенное изображение небольшой части отклика при G = 1. Обратите внимание на то, что для достижения конечного фиксированного значения требуются два полных цикла колебаний. Колебания продолжаются и далее, становясь все меньше и меньше, но на этом графике их не видно из-за недостаточного разрешения. Для точного достижения конечного значения могут потребоваться один или два дополнительных цикла колебаний.

Рис. 54. Увеличенное изображение сигнала (для G = 1) показывает, что период колебаний является постоянным

Рис. 54. Увеличенное изображение сигнала (для G = 1) показывает, что период колебаний является постоянным

Когда вы рисуете такую диаграмму, вы часто изображаете заключительную часть колебаний так, как будто их частота возрастает. Однако на самом деле период колебаний является постоянным. Чрезмерные колебания могут дорого обойтись – это основная причина для того чтобы использовать хорошо работающие операционные усилители.

Истинное время установления точного выходного напряжения (16 бит или более) часто включает в себя другие факторы. Наличие фазовой компенсации и термические эффекты могут увеличить значение времени установления. Усилитель также может стать жертвой помех от внутренних переключений, поступающих от входа АЦП. Оптимизация всех этих факторов может быть достаточно сложна. Тем не менее, в первую очередь важно учесть ограничение скорости нарастания в сочетании с откликом системы второго порядка.

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
  13. Приручаем нестабильный ОУ
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
  15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
  16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
  17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
  18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
  19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
  20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
Читайте также:  Цепи защиты выходного напряжения

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник



Включение и выключение диода.

date image2018-02-14
views image2112

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Ключевой режим.

Полупроводниковые приборы широко используются в качестве переключателей, т.е. устройств, имеющих два состояния: «открыто», когда сопротивление прибора очень мало, и «закрыто», когда оно очень велико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности малым, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.

Переходные процессы в полупроводниковых приборах существенно зависят от амплитуды импульса.

При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются зарядом и разрядом барьерной ёмкости диода. Аналогичные процессы совместно с конечным временем пролёта носителей через базу определяют переходные характеристики транзистора в активном режиме.

Ключевой режим работы характеризуется большой амплитудой переключающего импульса, когда диод или транзистор переходят из состояния с большим внутренним сопротивлением (ключ разомкнут) в состояние с малым сопротивлением (ключ замкнут) и обратно. В этом режиме основными процессами, определяющими переходные характеристики, являются процессы накопления и рассасывания неравновесных носителей в базе прибора. Процессы заряда и разряда барьерных ёмкостей играют второстепенную роль. Ключевой режим работы полупроводниковых приборов лежит в основе принципа действия цифровых электронных схем.

Включение и выключение диода.

Рассмотрим явления, происходящие в диоде при прохождении через него прямоугольного импульса тока. Диод условно можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 1. В этой упрощённой схеме диод представляется в виде последовательного

соединения сопротивления базы rб и нелинейного сопротивления р-n – перехода rп, параллельно которому включена ёмкость Cд, складывающаяся из барьерной и диффузионной ёмкостей диода.

Временные диаграммы тока падения напряжения на базе, на переходе и суммарного напряжения на диоде при подаче импульса прямого тока представлены на рис.2. В начальный момент времени напряжение на диоде U1 определяется падением напряжения на сопротивлении базы rб0; напряжение на переходе, шунтированном ёмкостью, отсутствует. По мере накопления дырок в базе сопротивление базы и, следовательно, напряжение на ней уменьшается. Ёмкость перехода заряжается, и напряжение перехода увеличивается.

В момент окончания импульса тока падение напряжения на базе диода скачком падает до нулевого значения. Величина скачка напряжения на диоде U2U3 определяется амплитудой импульса тока I1 и установившимся значением сопротивления базы rб уст..

rб = U1/ I1, rбуст=(U2U3)/ I1. (1)

Время установления прямого напряжения определяется на уровне 1,1 от установившегося значения при большом уровне инжекции или на уровне 0,9 U2 и при малом уровне инжекции, когда напряжение на диоде возрастает.

После окончания импульса прямого тока напряжение на диоде определяется концентрацией неравновесных носителей в базе на границе
c p-n-переходом:

где – температурный потенциал (при комнатной температуре рn|x= – концентрация дырок в базе на границе с p–n — переходом; pno – равновесная концентрация дырок в базе.

Читайте также:  Виды напряжений при резке

Накопленные вблизи p-n-перехода дырки исчезают вследствие рекомбинации. Кроме того, они диффундируют вглубь базы. Основной вклад в изменение концентрации вносит рекомбинация, что приводит к экспоненциальному уменьшению концентрации дырок вблизи запорного слоя. При больших уровнях инжекции спад напряжения на диоде на начальном участке происходит по линейному закону:

где tp – время жизни неравновесных носителей в базе. Эта закономерность нарушается, когда избыточная концентрация дырок становится соизмеримой с равновесной. В конце переходного процесса наблюдается более крутой спад напряжения на диоде.

Уравнение (3) позволяет легко определить время жизни дырок в базе диода:

Для этого измеряют перепад напряжения DUД на линейном участке кривой UД(t) и время Dt соответствующее этому перепаду.

Переключение диода из прямого направления в обратное.

Рассмотрим диод, включённый в схему последовательно с резистором (рис.3). Переходные процессы в диоде, протекающие при смене полярности напряжения источника, зависят от величины сопротивления. Если сопротивление R мало, ток в цепи определяется током диода, так как большая часть напряжения прикладывается к диоду. Если же сопротивление R велико, то ток через диод обусловлен этим сопротивлением, по крайней мере, до тех пор, пока концентрация неосновных носителей на границах запорного слоя остаётся повышенной.

В ключевом режиме прямой ток, как правило, ограничен сопротивлением R, прямое напряжение на диоде мало по сравнению с напряжением источника.

Временные диаграммы для этого случая приведены на рис.4:

Процессы при переключении диода. В исходном состоянии диод находится при обратном смещении –E2, в цепи протекает ничтожный обратный ток I. В момент t=0 подан импульс прямого напряжения E1 (рис.4а). Прямой ток ограничен сопротивлением R: I1=E1/R, на диоде возникает падение напряжения DU1=rб0I1. По мере заряжения емкости диода напряжение на диоде возрастает до максимального значения Uпр,и, а затем уменьшается из-за уменьшения сопротивления базы. Время установления прямого напряжения определяется по уровню 1,1 от установившегося значения.

При переключении на обратное напряжение –E2 возникает обратный ток I2:

где U* – напряжение открытого
р-п-перехода. На диоде появляется скачок напряжения ΔU2 (рис.4в), обусловленный изменением падения напряжения на установившемся сопротивлении базы
rб уст:

При этом на диоде сохраняется прямое напряжение, происходит рассасывание заряда: неосновные носители экстрагируются током через р-п-переход и частично исчезают за счет рекомбинации. Время, за которое концентрация неравновесных носителейзаряда на границе р-п-перехода обращается в ноль, tр, называется временем рассасывания. Время рассасывания tр, можно оценить по приближённой формуле

После этого начинается процесс восстановления обратного сопротивления. Время восстановления обратного сопротивления диода tвос определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямогона обратное достигает заданного уровня. Обычно принимается уровень 0,1 или 0,01 от значения прямого тока.

Источник

Этап установления прямого напряжения.

Характер зависимости U(t) определяется рядом факторов:

1) значением тока Iпр

2) уровнем инжекции

3) емкостью перехода

4) сопротивлением базы rБ

При малом прямом токе пренебрегаем сопротивлением базы, поэтому U(t) монотонно и плавно убывает по мере увеличения заряда Cбар.

При большом прямом токе и большом уровне инжекции нужно учитывать падение напряжения на базе. В момент t1 происходит скачок напряжения . По мере заряда емкости, напряжение достигает Umax. Этот процесс происходит за очень короткое время. По мере накопления нз в базе происходит модуляция сопротивления базы (rБ уменьшается до r’Б) и далее напряжение начинает спадать по мере диффузии нз от перехода вглубь базы.
36.Этап восстановления обратного сопротивления перехода.

Пусть в t2 входное напряжение меняется с прямого на обратное. Перех процесс при этом делится на — стадия высокой обратной проводимости, — стадия восстановления обратного напряжения. На первой стадии от t2 до t3 происходит скачок обратного тока.

Читайте также:  Mh напряжение батареи 12 зарядное устройство закрепляемое стене идет комплекте

Iобр гораздо больше Io т.к. при скачке носители не успевают уйти из базы.

Напряжение остается прямым, т.к. у базы на границе сохраняется избыточная концентрация неосннз, и эта концентрация дает положительное напряжение.

В момент t3 когда рn(0)=pn0, заканчивается первая стадия, концентрация неосновных нз на границе перехода равна равновесной, но в глубине базы имеется еще неравновесные концентрации нз. В течение 1 стадии из базы удаляется большая часть избыточного заряда неосн носителей. Длительность 1 стадии уменьшается при увеличении обратного тока. Медленное понижение U в течение 1 стадии определяется перезарядом Сдф.

На 2 стадии от t3 до t4 обратный ток уменьшается, все накопленные в базе дырки уходят или рекомбинируют, сопротивление р-п перехода увеличивается, а U становится отрицательным и стремится к UГ2. Ток в это время обусловлен не только переходом оставшихся избыточных нз, но и перезарядом СБ. Процесс рассасывания накопленных нз происходит гораздо медленнее их накопления, поэтому процесс рассасывания определяет частотные свойства перехода. Для уменьшения этого времени вводятся рекомбинационные ловушки..

37.полупроводниковые диоды. Выпрямительные низкочастотные диоды

Полупроводнико́выйдио́д — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода

В отличие от других типов диодов, например, вакуумных, принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.

Типы диодов по назначению:

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов, как правило, не превышает 20 кГц.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры:

— максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно Uобр.max = 0,5 – 0,8Uпроб, где Uпроб – напряжение пробоя);

— максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр.max;

— постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр =Iпр.max;

— максимальный обратный ток Iобр.max – обратный ток диода при приложении к нему напряжения Uобр.max;

— частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

Форма вольт-фарадной характеристики зависит от распределения концентрации примесей в переходе и выражается формулой:

При увеличении обратного напряжения емкость уменьшается из-за увеличения толщины обедненного слоя. При прямом напряжении емкость увеличивается, при этом основную роль начинает играть диф. емкость.

38.Импульсные диоды, параметры, диоды с резким восстановлением обратного сопротивления. Как же все заебало…

Импульсный диод это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.

восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: t>500 нс; t=150…500 нс;t=30…150 нс, t=5…30 нс; t=1…5 нс и t

Дата добавления: 2018-05-13 ; просмотров: 242 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник