В первой статье мы вспомнили базовую физику электрического тока, а также рассмотрели, как работают и для чего нужны резисторы. Кроме этих важных компонентов в экспериментах на курсе по схемотехнике мы будем также использовать светодиоды и транзисторы. Давайте познакомимся с ними поближе и разберемся, почему они могут сгореть при неправильных расчетах. Начнем с понятия вольтамперной характеристики, которая пригодится в исследовании свойств новых компонентов.
Этот и следующий материал довольно трудны для понимания, хоть мы и постарались все изложить максимально понятно. Поэтому может так статься, что вы не все сразу одолеете. Не стоит по этому поводу расстраиваться! Изучите теорию, насколько получится, проделайте вместе с нами все эксперименты и попробуйте после этого перечитать эти две части еще раз. Наверняка после этого все окончательно встанет на свои места.
- что такое линейные и нелинейные компоненты
- как выглядят вольтамперные характеристики разных компонентов
- почему может сгореть светодиод и транзистор
- как инженеры экономят заряд батареи устройств
Вольтамперная характеристика
Резистор, о котором вы узнали из прошлого текста, относят к линейным компонентам электрических цепей. Для таких компонентов зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление постоянны.
Как объясняют на уроках математики в школе, линейная функция y = kx + b так называется, потому что она отображается на графике в виде прямой. Если взять какой-нибудь резистор, например, 1 кОм, и отложить по горизонтальной оси напряжение U, приложенное к его выводам, а по вертикальной — ток I, протекающий при этом через него, то в полном согласии с законом Ома график будет прямолинейным. Причем он всегда будет проходить через начало координат, ведь без приложенного к резистору напряжения и току неоткуда взяться.
График зависимости тока через какой-нибудь компонент от приложенного к нему напряжения по понятным причинам называется вольтамперной характеристикой. Или просто и коротко — ВАХ!
Кстати, как и показано на рисунке, никто не мешает продлить график и в область отрицательных значений токов и напряжений. С точки зрения физики это будет означать, что мы поменяли плюс и минус напряжения на концах резистора местами, то есть сменили полярность в сравнении с первоначальным подключением, и ток потек в обратную сторону. При этом самому резистору все равно, какая там полярность, потому что он пропускает ток в обе стороны одинаково. Очень сговорчивый электронный компонент.
Надо упомянуть, что сопротивление постоянного резистора слегка меняется в зависимости от его температуры. А температура может меняться при изменении тока через резистор в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца, рассмотренном ранее. Но величина этих изменений, определяемая так называемым температурным коэффициентом сопротивления, так мала, что в наших опытах сопротивление можно будет считать постоянной величиной, настолько это будет не критично.
Светодиоды
Раз есть линейные компоненты, значит, должны быть и нелинейные, иначе зачем придумывать подобные прозвища. Ярким во всех смыслах примером нелинейности будет диод. Он изготовлен не из проводника, а из полупроводника. Полупроводники в обычном состоянии проводят совсем небольшое количество тока или не проводят его вовсе. Зато с ростом температуры или под воздействием света они начинают пропускать электрические заряды.
Светодиод, как понятно из названия, тоже диод. Этот компонент проводит ток только в одном направлении. А еще он умеет светиться. Причем не только тогда, когда ток через него превысит допустимые пределы и раскалит докрасна, а в обычном рабочем режиме. Выводы светодиода называются анод и катод. На схемах светодиод обозначается символом, который показан на иллюстрации к этому абзацу.
Для прямого смещения, о котором вы узнаете из ролика выше про p-n-переход, анод должен быть подключен к большему потенциалу в цепи, а катод — к меньшему. Проще говоря, в наших экспериментах анод «смотрит» на плюс, а катод — на минус. Вольтамперная характеристика любого диода выглядит совсем не так, как ВАХ резистора. При прямом смещении ток через диод меняется по кривой в зависимости от приложенного к нему напряжения. В области же обратного смещения, отрицательных значений напряжения на графике, тока через диод сначала почти что нет. А при дальнейшем росте обратного напряжения ток в обратную же сторону резко возрастает из-за такого явления, как пробой p-n-перехода. Этим термином физики называют резкое увеличение обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения.
Надо сказать, что пробой — это не всегда плохо и необратимо. Есть специальные диоды, которые сконструированы для того, чтобы работать в области пробоя. За счет почти отвесного хода ВАХ на отрицательном участке напряжение остается стабильным при изменении тока через диод в широком диапазоне. Специальные диоды так и называют — стабилитроны. Их используют в тех местах схем, где требуется определенная точность задания напряжения в электрической цепи, например, в источниках питания. Но нам они не потребуются, стабильность напряжения в схемах нашего курса обеспечат батарейки.
Ход графика в области прямого смещения, то есть при положительных значениях напряжения, показывает, что диод не начинает проводить ток, пока напряжение на нем не превысит некоторый предел. Для обычных кремниевых диодов это напряжение находится в интервале 0,6…0,7 В, а для светодиодов — в интервале 2…3 В. Затем при небольшом приросте напряжения ВАХ устремляется резко вверх, то есть сопротивление включенного светодиода (да и вообще диода) достаточно мало.
В документации на диод обычно указан рабочий диапазон токов. Если ток будет меньше минимального значения этого диапазона, то ничего плохого не случится, просто светодиод будет едва-едва светиться или не будет гореть вообще. Если же ток будет превышать допустимый верхний предел, то диод может сгореть.
Расчет сопротивления резистора для подключения светодиода
Ограничить ток через светодиод, чтобы он не сгорел, помогают включенный последовательно с ними резистор и закон Ома. Расчет подходящего сопротивления при этом можно произвести «на пальцах», не нужен даже калькулятор.
Пусть у нас напряжение питания 9 вольт, а светодиоду для работы нужно, скажем, 3 вольта из них. Он «заберет» их себе, мы увидим это в эксперименте, измерив напряжение на концах светодиода с помощью вольтметра. Как говорят схемотехники, на светодиоде падает 3 вольта. При таких условиях на резисторе остается 6 вольт (9 В − 3 В).
Рабочий (то есть разрешенный) диапазон токов для простого светодиода обычно бывает от 5 мА до 30 мА. Как мы уже говорили, при меньшей силе тока светодиод не будет светиться, а при большей может сгореть. Значит, если мы возьмем резистор 500 Ом, то ток через него и через светодиод в последовательной цепи по закону Ома будет равен 6 В / 500 Ом = 12 мА. Вполне годное значение.
Правда, резисторов на 500 Ом нет, ближайшие типовые значения будут или 470 Ом, или 510 Ом. Но как мы выяснили в предыдущем материале, это непринципиально, поэтому выбираем любой из двух. В наших экспериментах для ограничения тока через светодиоды всюду используется меньший номинал.
Между прочим, все равно, в каком порядке включать резистор и светодиод в последовательной цепи. Первый всегда ограничит ток в соответствии со своим сопротивлением, а второй все равно «отъест» положенное ему напряжение для включения, если его хватит. Можете сами поэкспериментировать на макетной плате и убедиться, что в данном случае от перемены мест компонентов результат не изменяется.
Транзисторы
Следующий интересный для нас нелинейный компонент — транзистор со структурой «Металл-Окисел-Полупроводник», или МОП-транзистор. Как он изготавливается и работает с точки зрения физики, поясняется в роликах ниже.
Именно МОП-транзистор оказался основным кирпичиком в построении всех современных цифровых схем. Поэтому знание его свойств и характеристик в общих чертах необходимо для понимания работы всей «цифры». Существуют и другие типы транзисторов, но их мы оставим за бортом нашего курса, так как они применяются для других задач. Так что для простоты дальше транзисторами будут называться именно МОП-транзисторы.
На схемах n-канальный транзистор выглядит так, как показано на рисунке слева, а p-канальный — справа. Выводы подписаны первыми буквами своих названий: сток, исток и затвор. В английской документации они, соответственно, будут именоваться drain, source, gate.
У транзистора есть еще и четвертый вывод — подложка. У тех компонентов, которые устанавливают на плату по отдельности (их называют дискретными), подложка внутри корпуса соединена с истоком, что показано на условном обозначении. Это значит, что у дискретных транзисторов, которые мы будем использовать, нельзя поменять местами сток и исток. В экспериментах позже будет показано, почему. А сейчас просто сойдемся на том, что в наших схемах истоки n-канальных всегда «смотрят» в сторону минуса питания, а у p-канальных — в сторону плюса.
Вольтамперную характеристику транзистора еще называют сток-затворной, так как она показывает изменение тока стока транзистора в зависимости от напряжения между затвором и истоком.
На условном обозначении выше все эти особенности МОП-транзистора показаны графически. Затвор отделен зазором от остальных областей, как и в настоящем транзисторе, слоем оксида кремния. И видно, что ток через затвор в транзистор поэтому не течет. Подложка (вывод со стрелочкой, направленный в ту или иную сторону в зависимости от типа транзистора) соединена всегда с истоком воображаемой капелькой припоя и сама по себе не выходит отдельным выводом наружу из большого круга — корпуса дискретного транзистора.
Проводящий канал между стоком и истоком представлен пунктирной линией. То есть он по умолчанию отсутствует, а создается только при напряжении на затворе не менее порогового. Как на географических картах изображают русло пересыхающей реки, которое наполняется только в сезон дождей. В общем, каждый элемент такого обозначения имеет свой физический смысл. Без объяснения остался только похожий на ноль маленький кружок на затворе p-канального транзистора, но его смысл станет очевиден, когда мы перейдем к составлению цифровых логических элементов из МОП-транзисторов.
Безопасная работа транзистора
Чтобы ближе познакомиться с МОП-транзистором и понять, как он работает, необходимо проделать с ним несколько несложных опытов. Для начала посмотрим, как с помощью напряжения на затворе транзистора можно управлять яркостью светодиода. Потом сами построим ВАХ транзистора. Вместе с теоретическими знаниями из этого материала, эксперименты на макетной плате дадут нам цельное представление об этом главном строительном элементе всех современных цифровых систем.
Как и любой другой компонент, транзистор имеет свои ограничения при использовании. В число этих ограничений в первую очередь входят указываемые в документации максимальный ток стока — ICmax, максимальное напряжение между стоком и истоком — UСИmax и максимально допустимая мощность — Pmax. Ни один из этих параметров нельзя превышать, чтобы не сжечь транзистор. Эти параметры удобно представить графически в виде области безопасной работы на вольтамперной характеристике.
Так, максимальный ток стока будет ограничен на графике горизонтальной линией, UСИmax — вертикальной, а предельная мощность, которую без вреда для себя может рассеивать транзистор, — наклонной, поскольку мощность — это произведение тока на напряжение и линия постоянной мощности на ВАХ будет проходить таким образом. Вот и рабочий режим транзистора должен быть установлен так, чтобы ни ток, ни напряжение не могли вырваться из заштрихованной области.
Простейшая схема на МОП-транзисторе
Типовая схема управления током нагрузки транзистора, в нашем случае — яркостью светодиода, с помощью n-канального транзистора выглядит так:
Здесь R1 — переменный резистор, включенный в режиме потенциометра. В этом варианте включения между его концевыми выводами будет постоянное напряжение 9 В. А со среднего контакта, обозначенного на схеме стрелкой, на затвор транзистора будет подаваться напряжение в диапазоне от 0 до 9 В в зависимости от положения этого среднего контакта, который связан с регулировочной ручкой. Ведь резистор R1 можно считать последовательным включением двух резисторов: от верхнего по схеме вывода до среднего и от среднего до нижнего.
Как мы уже знаем, в такой цепи напряжение делится между двумя резисторами пропорционально их сопротивлениям. Кстати, из-за этого постоянные резисторы в последовательной цепочке очень часто используются в качестве делителя напряжения. Они позволяют получить нужную величину из имеющегося в наличии напряжения питания или электрического сигнала.
Входное сопротивление затвора исправного транзистора, под которым спрятан изолирующий слой оксида кремния, можно считать бесконечно большим. По этой причине ток со среднего вывода резистора в транзистор течь не может. То есть уравнение для делителя напряжения в этом случае не требует поправок из-за подключения транзистора к R1. Ну, а цепочка из светодиода и резистора R2 вам уже знакома. Вращая ручку R1, можно увидеть, как включается и выключается светодиод, а также меняется его яркость.
Можно снять и ВАХ транзистора, получив реальный график с конкретными значениями именно для вашего полупроводникового прибора. Для этого нужно исключить светодиод из схемы, чтобы его нелинейность не мешала измерению характеристик транзистора, как показано на схеме:
Если задать величину сопротивления R2 1 кОм, то численное значение напряжения на нем в вольтах будет равно току в миллиамперах, протекающему через него. С этим знанием снятие и нанесение на график зависимости тока стока от напряжения затвор-исток становится несложным. Нам не придется то подключать мультиметр как вольтметр между затвором и истоком транзистора для замера входного напряжения, то в режиме амперметра в разрыв цепи между стоком и резистором R2 для каждой замеряемой точки. Мы можем все время работать вольтметром.
Читатель, который внимательно изучил первый материал, конечно же, вспомнит, что реальное сопротивление резистора может отличаться от номинального. Но благодаря постоянному значению сопротивления пересчитать данные с поправкой на это отклонение труда не составит.
Дадим еще пару рекомендаций, облегчающих снятие ВАХ в домашних условиях. Так как один мультиметр даже в режиме вольтметра придется то и дело переключать с R1 на R2, то рекомендуется каждую точку графика «снимать», начиная с резистора в цепи стока, потом переставляя щупы на затвор и исток транзистора, чтобы измерить напряжение на его входе. Так вы будете хорошо видеть, как меняется ток стока в нелинейной области, и сможете двигаться по ней аккуратными шажочками, не пропуская ничего интересного. И пусть при этом напряжение между затвором и истоком будет измерено с разным шагом между замерами, для нашей задачи это вообще не принципиально.
Вторая подсказка при замерах заключается в том, что после того, как напряжение на R2 сравняется с напряжением питания, замеры можно прекращать, хотя между затвором и истоком при этом будет всего 3…4 вольта, а не все 9 вольт. Дальше напряжению на R2 расти некуда, так как транзистор полностью открыт и его сопротивлением канала с этого момента в сравнении с сопротивлением R2 можно полностью пренебречь.
Наши транзисторы рассчитаны на напряжения питания аж до 50…60 вольт, но у нас нет таких значений. Да и смысла в них работать никакого, поскольку нас интересует ход графика в наиболее криволинейной области вблизи порогового напряжения. И мы его и так увидим. Удачных измерений! Для примера ниже приведем график, получившийся у нас. Сравните со своими данными. Небольшие отличия не означают неправильного замера, ведь абсолютно одинаковых транзисторов не бывает.
Схемы и графики, приведенные выше, относились к n-канальным транзисторам. Но ведь есть же еще и p-канальные, которые, если можно так выразиться, имеют «зеркальную» структуру распределения примесей в областях стока, истока и подложке. Это означает, что электронная проводимость (с носителями отрицательного заряда) в таких транзисторах меняется на дырочную (с носителями положительного заряда). То есть для протекания тока в p-канальных транзисторах полярность источников напряжения между затвором и истоком, а так же между стоком и истоком должна быть противоположной той, что мы использовали в n-канальных.
После того, как вы изучите материал этого раздела не только в теории, но и на практике, попробуйте самостоятельно разработать и собрать на макетной плате схему регулятора яркости светодиода на p-канальном транзисторе, а также снять ВАХ этого прибора. При этом важно помнить про иную полярность подключения его выводов, про направление включения диода и то, что исток p-канального транзистора должен «смотреть» в сторону плюса питания, а не минуса, как было для n-канального его собрата.
Правильный ответ будет дан в следующей статье.
Мы будем активно использовать светодиоды и транзисторы на курсе по схемотехнике для начинающих. С основной теорией по ним мы закончили, самое время приступить к практике! Переходите по ссылке на ролик на полях и проделайте описанные в статье эксперименты на макетной плате, чтобы закрепить знания. Они обязательно пригодятся, когда мы начнем конструировать гораздо более сложные устройства.
Как инженеры экономят заряд батареи устройств
Будет интересно немного поговорить о том, как транзисторы работают в современных микросхемах и почему уменьшение их размеров влияет на сложность инженерных решений. Самая животрепещущая тема последнего десятилетия в микроэлектронике — не нанометры и даже не гигагерцы, а ватты. Все больше устройств работает от батареек, и инженерам все сильнее приходится задумываться об экономии потребляемой мощности.
МОП-транзистор, согласно самой простой модели, да и некоторым более сложным тоже, требует, чтобы на его затвор относительно истока было подано напряжение отпирания затвора. Именно оно влияет на то, чтобы потек ток и лампочка зажглась или произошло еще что-то. Дескать, пока напряжение на затворе не превышает некоторое пороговое напряжение Uпор, ток через транзистор не течет. Потом же транзистор отпирается, и электроны летят через канал бурным потоком.
Как водится, в реальности все не так красиво. В современной жизни ток через транзистор течет всегда!
Просто при подпороговых значениях напряжения на затворе он небольшой. Если рисовать зависимость тока через транзистор от напряжения на затворе, то она идет вначале (в подпороговой области напряжений) полого-полого, почти горизонтально, на высоте недалеко от нуля, а потом резко взмывает вверх.
Пока транзисторы были большими, на этот ненулевой пологий хвост графика вообще не обращали внимания. Но по мере уменьшения тех самых нанометров длины канала приходилось уменьшать и толщину подзатворного окисла (вторая буква в названии МОП-транзистора) вместе с напряжением питания.
Уменьшение напряжения питания — благо, мы же проходили закон Джоуля-Ленца и следствие из него: P=U2/R. Уменьшили напряжение питания вдвое — снизили потребляемую мощность вчетверо! Но тогда и пороговое напряжение надо тоже уменьшать, иначе как у нас транзистор включится, если оно будет близко к напряжению питания?
Пороговое напряжение смещают, добавляя в полупроводник нужные легирующие примеси, которые увеличивают проводимость в определенных областях транзистора. А это приводит к увеличению силы тока в подпороговой области работы. Кривая в этой части графика становится менее пологой. Да еще уменьшение размеров вносит свою лепту в то, что шальные электроны могут теперь проскочить под закрытым затвором, хотя не должны.
В итоге некогда резкий переход между областью отсечки тока и областью проводимости на ВАХ размывается. Пороговое напряжение становится скорее философским понятием, нежели физическим явлением. Транзисторы «текут» даже в формально выключенном состоянии. Доходит до того, что мощность утечки в современных технологиях становится равной заметной доле активной мощности, той, которая расходуется, когда транзисторы переключаются. Получается, только что включенный современный чип с пользой для нас еще не работает, но заряд батарейки уже старательно съедает. Если бы у микросхем были бабушки, то они были бы довольны их аппетитом!
Есть два ключевых решения. Первое — это отключаемые домены питания. В домены включают те или иные составные части микросхемы в соответствии с планами на их применение. Раз уж мы не можем избавиться от токов утечки в транзисторах, которые включены в сеть, то надо их обесточить. Поэтому на процессорах выделяют всегда включенный домен и остальные — отключаемые.
У всех доменов, сколько их выдумает архитектор чипа, свои отдельные выводы для питания. Внутри домена своя отдельная сетка питания во всех слоях, свои контактные площадки в верхнем слое, которые присоединяется к выводам на корпусе — все свое. То есть если нам, например, не нужна камера в телефоне, то с платы можно обесточить все выводы питания камеры, транзисторы этого блока перестанут «течь», уменьшится расход батарейки. То же можно провернуть с дисплеем и прочей периферией. Даже с отдельными ядрами процессорными так можно — а почему бы и нет?
Для взаимодействия друг с другом между доменами вставляют усилители-преобразователи уровней, которые увязывают два питания друг с другом. То есть в принципе никто не мешает делать домены питания разными не только логически, но и по применяемым в них напряжениям.
При отключении домена питания неплохо бы предусмотреть процедуру выгрузки состояния важных регистров — устройств для записи, хранения и считывания двоичных данных — куда-то в неотключаемую память и загрузки данных в регистры обратно при включении, чтобы уже находящаяся в них информация не пропадала. Тогда после пробуждения отключенное ранее устройство «вспомнит», на чем оно остановилось, и продолжит работать с того же места. Ядра полезно выключать не только ради борьбы с утечками, но и для борьбы с перегревом при неуемном использовании. Закипает? Сбросили данные через общую память в другое ядро, пусть теперь оно пыхтит, а это поспит пока, остынет.
Другое же решение по борьбе с утечками уже не архитектурное, а технологическое. Меняя концентрацию легирующих примесей, мы можем менять порог транзистора. «А это идея!» — сказали схемотехники и технологи. И одни пошли делать, а другие применять транзисторы с разными порогами в рамках одной технологии. Вот насыпят примесей чуть меньше — получится транзистор с порогом выше стандартного на несколько десятков милливольт.
Казалось бы, что это за такие несущественные изменения? А утечки от порогового напряжения зависят экспоненциально, то есть крайне резко, — вот такой подарок от физики. То есть незначительное изменение порогового напряжения приводит к очень заметному изменению токов утечки.
В итоге мы можем играть параметрами: ниже порог — больше утечки, но и быстродействие тоже. Выше — все ровно наоборот. Если у нас какой-нибудь блок микросхемы работает на невысокой частоте, то и не нужен туда низкий порог транзисторов, обойдется! А вот в процессорном ядре без быстрых транзисторов никак. Дальше — больше. А зачем нам в быстром ядре все цепи с низким порогом, там тоже такие транзисторы можно выборочно ставить. Бывает так, что одни элементы на другие меняют буквально вручную точечно, чтобы вытянуть особо хитрую цепочку элементов по задержке сигнала, не сильно ухудшив ее характеристики по мощности.
Подобных мелочей в разработке современных микросхем — бесконечное множество. Часть задач уже решены, но постоянное развитие технологий регулярно ставит инженеров перед новыми интересными вызовами. Тем, кто поможет их решать и влиять на работу электроники будущего, можете стать вы.