Схемы антенных усилителей на полевых транзисторах: Антенный усилитель на полевом транзисторе

Мощный антенный усилитель на полевом транзисторе

Самодельные антенны и радиоприемники

материалы в категории

Антенный усилитель на полевом транзисторе с барьером Шоттки (ПТШ),предложенный в (1)  был опробован для приема слабых ТВ сигналов и показал фантастические результаты. Так, еле различимое изображение 9-го канала Каменск-Шахтинского ретранслятора (100 км) при подключении данного усилителя восстанавливалось почти до нормального. Для примера, двухкаскадный усилитель на транзисторах КТ3132 не давал даже близко такого эффекта.

Адаптированная для приема TV схема показана на рис.1.

 

Усилитель является резонансным и перестраивается от 6-го до 12-го каналов резистором R3. Катушка LI — бескаркасная и содержит 5 витков провода ПЭВ 0,7 на оправке диаметром 7 мм. Отвод — от 1-го витка снизу. Надо сказать, что ПТШ очень чувствительны к статическому электричеству, наводкам сети и перегрузкам по входу. Хотя затвор транзистора и соединен с корпусом через катушку L1, попадание на вход X1 даже очень небольшого заряда (от расчески например) вызывает его пробой. Поэтому рискованно подключать случайные антенны, особенно с разрезным вибратором. Центральная жила питающего кабеля должна быть соединена по постоянному току с экраном, а он, в свою очередь, — с несущей мачтой.

Печатная плата усилителя показана на рис.2.


Усилитель можно изготовить широкополосным (рис.3), включив на вход широкополосный трансформатор Т1 с коэффициентом трансформации 1:9. Т2 предназначен для согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением кабеля, что повышает КПД по сравнению с включением, показанным на рис.1. В усилителе не обязательно применять мощные ПТШ как в [I], вместо них почти так же хорошо работают такие как ЗП325 (АП325). Трансформатор Т1 намотан на кольце К7х4х2 100 НН и содержит 4 витка в три провода ПЭВ 0,2. Т2 — на таком же сердечнике 4 витка в два провода. В обеих схемах К — ферритовая бусинка, одетая на вывод стока для предотвращения самовозбуждения на СВЧ.

Для эксперимента можно заменить ПТШ на обычный малошумящий ПТ КП312А (с соответствующей коррекцией R1 и R2). Разница в работе более чем убедительна.

Литература

1. S.Franklin (WВ5KGL).//Радиолюбитель. — 1992. — N3. — С.46 — 47.

Автор А.РЫЖКИН, 346464, Ростовская обл., Усть-Донецкий р-н, ст.Н-Кундрюченская.

(РЛ 3-97

Усилители для антенны, схемы УРЧ


Схема широкополосного антенного усилителя (УРЧ до 200МГц)

Усилитель, схема которого показана нарисунке, может быть антенным усилителем всеволнового радиоприемника. Он может работать на частотах от десятков килогерц до 200 мегагерц. Коэффициент усиления на частоте 100 МГц составляет 20 дБ. Усилитель достаточно линейный, поэтому коэффициент усиления во …

4 5263 0

Использование телевизионных антенных усилителей МВ и ДМВ, схемы

Выше уже отмечалось, что установка антенного усилителя около телевизора между фидером и антенным входом телевизионного приемникаобеспечивает увеличение коэффициента усиления приемного тракта, т. е. улучшает чувствительность, ограниченную усилением. Было показано, что при использовании современных …

0 6049 0

Простые усилители высокой частоты (УВЧ) для приемников

Усилители высоких частот (УВЧ) применяются для увеличения чувствительности радиоприемных средств — радиоприемников, телевизоров, радиопередатчиков. Помещенные между приемной антенной и входом радио или телеприемника, подобные схемы УВЧ увеличивают сигнал, поступающий от антенны …

4 7390 0

Буферный видеоусилитель на транзисторах

Буферный видеоусилитель используется везде, где использование видеоплеера с приемником/монитором TV с использованием длинного кабеля может вызвать падение амплитуды сигнала и, как следствие, ухудшение качества изображения. Усилитель может также быть использован для подключения нескольких приемников…

0 4724 0

Схема антенного усилителя на ОУ

Импеданс любой достаточно длинной проволочной антенны на радиовещательных диапазонах обычно составляет несколько килоом, и его трудно согласовать с 50-омным входом приемника. Кроме того, к одной антенне нельзя подключать сразу несколько приемников, так как это приведет к взаимной …

0 4704 0

Активная антенна от 100кГц до 30МГц

В этой схеме использованы полевой и биполярный транзисторы с непосредственной связью для получения хороших показателей даже с короткой приемной антенной (70 см). Потенциометром R5 можно подстраивать усиление, причем …

0 4151 0

Высокочастотная рамочная антенна (5-30 МГц)

Хорошее качество приема в диапазоне 5-30 МГц обеспечивается при помощи усилителя с очень высоким входным сопротивлением и низким уровнем шума. Этот усилитель может работать на нагрузку 75 Ом при большом уровне сигнала на частотах выше 30 МГц. Если подключить…

0 4622 0

Активная дипольная антенна (от 100 кГц до 40 МГц)

Эта активная антенна работает так же, как и обычный диполь, и состоит из истокового повторителя на сдвоенном полевом транзисторе и дифференциального усилителя. Микросхема LM759 формирует уровень виртуальной «земли», равный точно половине напряжения…

0 4214 0

Широкополосный реверсивный усилитель

Усилитель имеет одиноковый коэффициент усиления в диапазоне часют 0,25,..8 МГц и обеспечивает равномерное усиление но грех радиолюбтельских диапазонах (160, 80 и 40 м), Расширение диапазона равномерно усиливаемых частот…

1 4162 0

Антенный усилитель для магнитолы УКВ диапазона

Воды Ремонтируя дешевые азиатские магнитолы, я столкнулся с проблемой низкой чувствительности их приемника в УКВ диапазоне. Сопряжение настроек не принесло заметных улучшений, поэтому мой выбор остановился на антенном усилителе. После проверки нескольких …

5 5894 0


Радиодетали, электронные блоки и игрушки из китая:

Схема антенного усилителя

Как известно, невозможно настроить на телевизоре устойчивого изображения с контрастной картинкой, если входной сигнал очень слабый. И для того чтобы обойти этот недостаток внешней телевизионной антенны нужно установить усилитель телесигнала. Подключить его можно и к самой антенне на мачте и к телевизору в разрыв между входом и кабелем. Это зависит от условий места установки.

Существует множество схемных решений таких устройств. Мы рассмотрим одно из самых простых по сложности, но с довольно хорошими характеристиками, не уступающими многим промышленным образцам.

Схема телевизионного антенного усилителя, который мы будем собирать представлена на рисунке ниже:

 

 

Характеристики антенного усилителя (в полосе частот 40…230МГц):

— коэффициент усиления при Uпит.=12В и Iпотр.=18мА  —  +25дБ

— коэффициент усиления при Uпит.=6В и Iпотр.=12мА  —  +22дБ

Схема является двухкаскадной, всего на двух малошумящих транзисторах. При этом каскады связаны между собой глубокой отрицательной обратной связью по постоянному напряжению с помощью резисторов R2 и R6. Это создано для обеспечения тепловой стабилизации усилителя. А при помощи C3 и R1 организована отрицательная обратная связь по переменному напряжению для обеспечения нужной амплитудно-частотной характеристики. При этом установлены дополнительные конденсаторы C4 и С6 для корректировки.

Хорошее отношение сигнал/шум между усилителем и телевизором, обеспечивается за счет того, что применяются высокочастотные транзисторы, у которых пониженный коэффициент шума, а достижение большого коэффициента усиления устройства компенсирует потери уровня сигнала в кабеле между антенной и телевизором.

Для защиты усилителя от грозовых помех и других источников на входе схемы установлены диоды VD1, VD2.

Для того чтобы предотвратить самовозбуждение усилителя, которое может возникнуть между каскадами в результате паразитных связей через источник питания установлены резистор R4 и конденсатор C1.

Как и во всех схемах антенных усилителей детали размещены на двусторонней плате с толщиной 1,5 миллиметра. При этом со стороны деталей фольга не убирается, а вокруг выводов не соединенных с общим проводом делается зенковка. И чем она меньше, тем лучше. Выводы деталей соединенные с общим припаиваются с обеих сторон платы. По периметру платы оба слоя спаиваются полоской фольги. Рисунок платы можно скачать здесь.

После того как схема будет проверена и отрегулирована, плату необходимо будет покрыть водостойким лаком и установить в металлический корпус припаяв по периметру к стенкам корпуса. При этом места пайки и саму коробку нужно то же покрыть водостойким лаком или покрасить. Корпус можно взять от модулей цветных телевизоров, начиная с 3-го поколения.

Схема подключения антенного усилителя между антенной и телевизором с блоком питания показана на рисунке ниже:

Питание подается на усилитель по отрезку телевизионного кабеля идущего от телевизора к выходу усилителя. Для этого собирается развязывающий фильтр, основанный на индуктивности L2 и конденсаторе C9. Их параметры такие же, как у L1 и C5 в схеме. Фильтр нужен для того чтобы разделить телевизионный сигнал поступающий с выхода усилителя и постоянное напряжение питания. Фильтр собирается в отдельном корпусе, который устанавливается непосредственно перед антенным разъемом телевизора.

Блок питания можно использовать любой малогабаритный со стабилизированным выходом и обеспечивающим напряжение питания и ток потребления усилителя.

Применяемы в схеме высокочастотные малошумящие транзисторы КТ368А можно заменить на КТ382А или КТ399А изменив разводку платы под требуемую цоколевку. Желательно использовать транзисторы в металлическом корпусе с отводом для подключения к общему проводу. Можно использовать транзисторы и с ненормированным коэффициентом шума, тогда отношение сигнал/шум усилителя ухудшится.

Диоды КД521 можно заменить на КД522, КД514, КД510. Конденсаторы необходимо устанавливать марки КЛС, КД или КМ.

Индуктивность дросселей в пределах 20 – 25 мкГн.

Настройка усилителя заключается в создании необходимой амплитудно-частотной характеристики. Низкочастотную часть настраивают с помощью подбора конденсатора С4, а высокочастотную подбирая C6. Для этого необходимо иметь в арсенале высокочастотный генератор и осциллограф, но можно обойтись и без этого. Если нет необходимости усиления сигнала в широкой полосе частот, то лучше сузить диапазон до необходимого интервала, потому что в этом случае помехозащищенность усилителя увеличится, что благоприятно скажется на качестве принимаемого сигнала. Для этого можно даже собрать 2 – 3 усилителя, настроенных на узкие диапазоны. Так же усилитель можно настроить и для работы в диапазоне радиостанций.

Если усилитель будет установлен непосредственно на антенне, то все соединения необходимо сделать паяльником, покрыв их водостойким лаком или покрасив.

Хитрый совет: чтобы вода по кабелю не стекала в корпус, его нужно загерметизировать и перед корпусом сделать петлю из кабеля как на картинке выше.

Лучше всего конечно подключить усилитель непосредственно на мачте возле антенны, защитив ее от влаги. Но иногда может оказаться, в зависимости от местных условий, эффективнее будет подключить возле телевизора. Определять это нужно уже на месте.

 

Анекдот:

Коктейль «Спящий засранец» : 50 грамм снотворного 50 грамм слабительного…

Полосовой усилитель диапазона 144 МГц

Алексей Анкудинов UA3VVM
ua3vvm (at) mail.ru

В радиолюбительской литературе — как в зарубежной, так и отечественной встречаются многочисленные описания малошумящих антенных усилителей, построенные на арсенид-галлиевых полевых транзисторах. Зарубежные образцы несомненно обладают высокими электрическими характеристиками. Но так же высока их стоимость. На обычных земных радиотрассах целесообразно применять более дешевые транзисторы и усилители.

В результате анализа публикаций в Российских радиолюбительских журналах, была выделена типовая схема с использованием транзистора 3П602. Для повторения выбран транзистор 3П602Б-2, обладающий меньшей крутизной характеристики в своем ряде и соответственно более дешевый. Были сформулированы основные требования к усилителю. Это использование недорогих комплектующих, низкий уровень собственных шумов, высокое усиление и подавление внеполосных мешающих сигналов. В результате экспериментов был построен усилитель в целом удовлетворяющий вышеописанным требованиям. Исключением может стать относительная сложность сборки и настройки. 

Принципиальная схема устройства показана на рис. 1.

 

кликни для расширения!

Рис. 1

   Входной сигнал через полосовой фильтр L1,L2,C2 поступает на полевой транзистор Т1. Связь с антенной индуктивная, что дополнительно защищает транзистор от атмосферного электричества. Защитные диоды по входу отсутствуют для улучшения шумовых характеристик усилителя. Каскад на транзисторе T1 нагружен на щирокополосный дроссель Др1 и резонансный контур L3,L4,C6. Напряжение на стоке Т1 составляет порядка 3.3 В, коэффициент усиления каскада не хуже 8 дб. Данный режим работы полевого транзистора выбран для минимизации уровня собственных шумов. Далее сигнал через катушку связи L4 и разделительный конденсатор С7 поступает на биполярный транзистор Т2. Транзистор включен по схеме с общей базой, выходной контур L5 целиком включается к коллекторную цепь. Для расширения полосы пропускания и повышения устойчивости к самовозбуждению контур L5 зашунтирован резистором R7. Напряжение питания второго каскада составляет 9 В и стабилизировано интегральным стабилизатором на DA1. Коэффициент усиления составляет около 12 дб. Усиленный сигнал через катушку связи L6 поступает в кабель снижения. Диоды с барьером Шоттки VD1 и VD2 защищают выходной транзистор от сигнала передатчика, при использовании усилителя в составе антенного блока. Питание подается по кабелю и может составлять от 12 до 28 В (положительное). При использовании больших напряжений питания целесообразно погасить избыточное напряжение на входе стабилизатора DA1 последовательно включенным резистором (подбирается экспериментально).

   Все резонансные контуры настраиваются подстроечными конденсаторами С2,С6,С10 на центральную частоту 145 МГц. Электрический режим транзистора Т1 устанавливается подбором резистора в цепи истока (допустимо уменьшить номинал до 100 Ом при несколько худших шумовых свойствах и большем усилении). Напряжение на стоке – 3.3 В устанавливается подбором резистора R2. Можно подобрать резистор R7. Уменьшение его номинала уменьшает усиление и расширяет полосу пропускания, увеличение – сужает полосу пропускания, увеличивает усиление каскада на Т2, одновременно повышая склонность к самовозбуждению. Каскад на Т2 полностью работоспособен при снижении его питания до 7 В (повышается устойчивость). Транзистор можно заменить подходящим СВЧ с нормированным шумом, например КТ399А.
Обычное требование – согласовывать вход и выход усилителя, так как только в этом случае гарантируется устойчивая работа без склонности к самовозбуждению.

   Все катушки бескаркасные, намотаны эмалированным проводом диаметром 0.5 мм на оправке 7 мм. L2,L3,L5 содержат по 4 витка с шагом 1 мм. У L3 отвод от 1 витка считая от земляного конца. Катушки связи L1,L4,L6 содержат по 1 витку. Все катушки связи располагаются со стороны заземленного конца контурных, вплотную. Дроссель содержит 10 – 15 витков эмалированного провода, намотанных на оправке диаметром 4 мм, виток к витку. Исток транзистора Т1 зашунтирован 4-мя керамическими конденсаторами, из-за его большой конструктивной площади. Все контура на макетной плате располагались на достаточном удалении друг от друга (4-5 см), взаимно перпендикулярно. Все соединения выполнялись максимально короткими проводниками, экранирующие перегородки не ставились.

   При изготовлении вышеописанного усилителя на печатной плате с плотным монтажем рационально снизить напряжение на втором каскаде до 7 В. Это можно сделать гасящим резистором номиналом около 30 Ом, установленным на выходе стабилизатора напряжения. Напряжение на втором каскаде устанавливается 3.3 В при использовании 3П602Б-2, и 4,5 — 5 В при использовании 3П602Д-2. Подбором резистора R2 устанавливается необходимое усиление устройства. Понижение питания второго каскада при плотном монтаже мотивируется улучшением устойчивости к самовозбуждению. Окончательную настройку необходимо проводить в закрытом металлическом кожухе.

   В результате проведенных измерений, полоса пропускания усилителя составила порядка 4 МГц, настройка острая. Коэффициент усиления не хуже 20 дб. Уровень собственных шумов не измерялся, но при проверке с SSB приемником диапазона 144 МГц, подключение внешней антенны заметно увеличивало уровень шумов. При включении совместно с портативной радиостанцией, данный усилитель не изменял соотношения сигнал/шум в худшую сторону.

   В заключении хочу сказать, что использование других типов транзисторов может значительно улучшить шумовые характеристики устройства. Данный усилитель лучше использовать в составе антенного блока (АУ) с релейной коммутацией высокочастотными реле. Напряжение же питания выбирается исходя из необходимости получения нужной выходной мощности в передающем блоке. Конкретное исполнение АУ здесь не рассматривается, так достаточно широко освещено в радиолюбительской литературе.

   Усилитель выполнен на печатной плате размерами 85*35 мм из стеклотекстолита. Толщиной 1,5 мм с односторонней металлизацией.

Макет МШУ на 144 МГц

   Полоса пропускания изготовленного усилителя по уровню -3дб, 4 МГц (143 — 147 МГц). Коэффициент усиления от 10 до 20 дб (регулируется изменением параметров R2* и дополнительного резистора в цепи питания +8 Вольт).

Литература:
  1. Радио 1/2000, «Антенный усилитель диапазона 2 м», И. Нечаев (UA3WIA)
  2. Радио 1/2002, «Антенный коммутатор», И. Нечаев (UA3WIA)
  3. Радиолюбитель 7/1992, «Антенный усилитель диапазона 2 м», В. Петров (RL7GD)
  4. КВ журнал 6/1998, «Антенный усилитель диапазона 2 м», А. Гайдарджчев (LZ3UF)
  5. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике, Э.Т. Рэд

Схемы антенных усилителей тв сигнала

Усилители SWA нашли самое широкое применение среди присутствующих на Российском рынке антенн. Их история началась в 90-х годах, с появления на рынке польских антенн с задней сеткой-рефлектром. Они так и стали называться «Сетка», но сначала с добавлением «польская», затем – без. Сейчас эти сетки выпускаются у нас в России под моделями ASP-8 и ASP-4. Их достоинство – дешевизна. Поэтому они и стали использоваться в других антеннах. Наиболее известные – антенны серии Мир. В настоящее время они могут применяться и в линейке антенн серии Астра. Но по большому счету Мирам и Астрам они особо нужны, так как высокий собственный (пассивный) коэффициент усиления позволяет их использовать на расстояниях и в 70-80 км. без них. Чего не скажешь о сетках ASP, у которых собственного коэффициента усиления явно не хватает.

Недостатки. В сезон гроз массово выходят из строя, что приводит к необходимости их нового приобретения и установки. Если близко расположены несколько антенн – они начинают «наводить» друг на друга помехи.

Лучше всегда использовать антенну с высоким собственным коэффициентом усиления и не заморачиваться с усилителями. Но если местность холмистая, или дом расположен в низине – это условия, снижающие эффективность любой, даже самой хорошей антенны. Тут, как вариант, можно попробовать добавить антенный усилитель. И хотя вероятность успеха меньше 50% – стоит попробовать, так как альтернативой-то эфирному телевидению является дорогое спутниковое, ну или IPTV (что в сельских домах и вовсе редкость).

Начинать подбирать усилитель лучше со слабых характеристик. Так как переусиление приведет к такому же результату, что и без него. При выборе усилителя стоит всегда обращать внимание на коэффициент шумов. Лучше взять более слабый усилитель с низким коэффициентом, чем более сильный с высоким.

Для работы усилителя требуется питание 12 Вольт, поэтому придется дополнительно потратиться на блок питания. Приобрести все можно здесь.

Некоторые «умельцы» стали использовать питание от цифровых эфирных приставок. Делать это не рекомендуется! Последствием часто становятся выходы из строя самих эфирных цифровых ресиверов!

Тип платы усилителя Коэффициент усиления антенны
с усилителем в дБ
Шумы
ДБ
Дальность от ретранслятора
в км
Цена,
руб
.
Каналы 1 – 21 Каналы 21 – 68

SYM – 01 * плата согласования

0 – 10 60 SWA – 1 2 – 5 8 – 14 2.8 3 – 10 70 SWA -1 Lux 13 – 14 13 – 23 2.7 5 – 15 70 SWA – 2 15 – 18.5 20 – 25 2.8 10 – 20 90 SWA – 3 2 – 6 20.5 – 28 3.1 10 – 30 70 SWA – 4 Lux 0 – 8 29 – 35 3.0 20 – 45 70 SWA – 5 5 – 10 25 – 31 3.1 10 – 40 70 SWA – 6 5 – 10 25 – 30 3.1 10 – 40 70 SWA – 7 5 – 6 25 – 32 3.0 30 – 70 70 Turbo – 7 10 – 17 31 – 38 1.9 30 – 70 90 SWA – 9 9 – 11 21 – 31 3.1 30 – 70 70 SWA – 10 7 – 12 22 – 27 1.9 8 – 30 70 SWA – 14 1 – 16 28 – 37 2.8 30 – 70 70 SWA – 15 3 – 11 35 – 43 2.8 30 – 80 70 SWA – 17 11 – 15 35 – 42 2.9 30 – 100 70 SWA – 19 11 – 20 33 – 42 2.9 30 – 100 70 AST – 49 2 – 16 26 – 36 3.1 30 – 50 – SWA – 555 Lux 10 – 15 34 – 43 2.2 50 – 100 70 SWA – 777 Lux 10 – 13 34 – 45 2.3 50 – 100 70 SWA – 999 10 – 13 33 – 45 2.9 80 – 120 90 SWA – 5555 10 – 13 34 – 45 2.9 80 – 120 70 SWA – 7777 4 – 13 34 – 45 2.8 100 – 120 70 SWA – 9999 10 – 20 35 – 47 2.9 100 – 120 90 SWA – 2000 13 – 18 40 – 47 2.8 100 – 130 90 SWA – 3501 11 – 18 40 – 48 2.0 100 – 130 90 SWA – 6000** 20 – 52 50 – 52 1.2 80 – 140 90 SWA – 9000*** 0 – 28 10 – 40 1.5 20 – 100 90 SWA – 9001 12 – 16 42 – 54 1.5 100 – 150 90 SWA – 9501 15 – 28 42 – 50 1.7 70 – 120 90 AWS – 14**** 0 – 20 26 – 39 2.5 10 – 50 –

* – плата согласования не имеет транзисторов и является пассивным согласующим элементом . В каждом усилителе SWA , этот элемент присутствует и предназначен для согласования волновых сопротивлений антенны и кабеля. Представляет собой специальный трансформатор.
** – усилитель имеет 6 транзисторов
*** – регулируемый усилитель
**** – имеет возможность подключения дополнительной антенны метрового диапазона.

В публикуемой здесь статье наш постоянный автор анализирует схемотехнику антенных усилителей польского производства и обосновывает свой осознанный подход к их выбору с точки зрения коэффициентов шума и усиления. Он также дает рекомендации по ремонту таких устройств, довольно часто выходящих из строя от грозовых разрядов, и устранению самовозбуждения. Это позволит надеемся, многим радиолюбителям не только выбрать необходимый усилитель, но и улучшить его работу.

Активные антенны польской фирмы ANPREL и некоторых других получили широкое распространение в России и странах СНГ. При незначительном собственном усилении,особенно в диапазоне MB, параметры такой антенны во многом определяются установленным на ней антенным усилителем. Именно этому блоку свойственен ряд недостатков: он склонен к самовозбуждению, имеет довольно высокий уровень собственных шумов, легко перегружается мощными сигналами диапазона MB, часто повреждается грозовыми разрядами. Эти проблемы знакомы многим владельцам таких антенн.

Вопросы эксплуатации антенных усилителей SWA и аналогичных крайне мало освещены в литературе. Можно отметить лишь публикацию [1], где указано на перегрузку усилителя сигналами MB. С остальными недостатками владельцам антенн приходится бороться известным способом: заменяя усилители, выбрать лучший. Однако такой метод требует много времени и сил, поскольку усилитель, как правило, труднодоступен – расположен вместе с антенной на высокой мачте.

Основываясь на анализе схемотехники, собственном опыте и некоторых материалах фирмы ANPREL, предлагаю более осознанный подход к выбору усилителей, а также способ ремонта, позволяющий восстановить поврежденный блок, а в ряде случаев и улучшить его параметры.

Рынок заполнен множеством взаимозаменяемых моделей антенных усилителей, выпускаемых фирмами ANPREL, TELTAD и др. под разными торговыми марками и номерами. Несмотря на такое разнообразие, большинство из них собраны по стандартной схеме и представляют собой двухкаскадный апериодический усилитель на биполярных транзисторах СВЧ, включенных по схеме с ОЭ. В подтверждение этому рассмотрим модели разных фирм: простой усилитель SWA-36 фирмы TELTAD, принципиальная схема которого показана на рис. 1, и распространенный усилитель SWA-49 (аналог SWA-9) фирмы ANPREL – рис.2.


Pиc.1-2

Усилитель SWA-36 содержит два широкополосных каскада усиления на транзисторах VT1 и VT2. Сигнал с антенны через согласующий трансформатор (на схеме не показан) и конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT1, включенного по схеме с ОЭ. Рабочая точка транзистора задана напряжением смещения, определяемым резистором R1. Действующая при этом отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению линеаризует характеристику первого каскада, стабилизирует положение рабочей точки, но уменьшает немного его усиление. Частотная коррекция в первом каскаде отсутствует.

Второй каскад также выполнен на транзисторе по схеме с ОЭ и с ООС по напряжению через резисторы R2 и R3, но имеет еще и токовую ООС через резистор R4 в эмиттерной цепи, жестко стабилизирующую режим транзистора VT2. Во избежание большой потери усиления резистор R4 зашунтирован по переменному току конденсатором СЗ, емкость которого выбрана относительно малой (10 пФ). В результате на нижних частотах диапазона емкостное сопротивление конденсатора СЗ оказывается существенным и возникающая ООС по переменному току уменьшает усиление, корректируя тем самым АЧХ усилителя.

К недостаткам усилителя SWA-36 можно отнести пассивные потери в выходной цепи на резисторе R5, который включен так, что на нем падает как постоянное напряжение питания, так и напряжение сигнала.

Аналогично построен и усилитель SWA-49 (рис. 2), который также имеет два каскада, собранных по схеме с ОЭ. Он отличается от SWA-36 лучшей развязкой по цепям питания через Г-образные фильтры L1C6, R5C4 и повышенным коэффициентом усиления за счет наличия конденсатора С5 в цепи ООС (R3C5R6) второго каскада и переходного конденсатора С7 на выходе.

Подобная схемотехника присуща большинству других усилителей SWA (см., например, схему усилителя SWA-3, изображенную в [1]). Незначительные отличия чаще всего находятся во втором каскаде, который может быть снабжен разными цепями частотной коррекции, иметь различную глубину ООС и,соответственно коэффициент усиления. У отдельных моделей, например SWA-7, первый и второй каскады имеют непосредственную связь – вывод коллектора транзистора VT1 соединен прямо с выводом базы транзистора VT2. Это позволяет охватить оба каскада петлей ООС по постоянному току и улучшить тем самым термостабильность усилителя.

В каскадах на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ, наиболее велико влияние внутренних связей и емкостей переходов транзисторов. Оно проявляется в ограничении полосы пропускания и склонности усилителя к самовозбуждению, вероятность которого тем больше, чем выше коэффициент усиления. Для его оценки известно понятие порога устойчивости – предельного значения коэффициента усиления, при превышении которого усилитель превращается в генератор. Многие антенные усилители SWA с большим усилением работают у порога устойчивости, чем объясняется их нередкое самовозбуждение.

В качестве мер повышения устойчивости усилителей фирма ANPREL применяет разную топологию печатных плат (влияющую на емкость монтажа), поверхностные и объемные катушки, дроссели и т. п. Более радикальный способ: включение транзисторов по каскодной схеме с ОЭ-ОБ – почему-то не используется. При неизменной схеме включения транзисторов с ОЭ-ОЭ для решения проблемы устойчивости фирма предпочитает выпускать регулируемые блоки питания. Уменьшением его напряжения удается устранить самовозбуждение усилителя при сохранении достаточного усиления.

Основные параметры (коэффициент шума Kш и коэффициент усиления Ку) базовых моделей усилителей SWA по каталогу фирмы ANPREL указаны в табл. 1.

Рассмотрим взаимосвязь основных параметров со схемотехникой усилителей и их влияние на качество приема.

Как известно, коэффициент усиления на высоких частотах в каскадах с ОЭ критичен к параметрам используемых транзисторов, особенно к граничной частоте frp. В усилителях SWA применены биполярные СВЧ транзисторы структуры п-р-п, маркированные как Т-67, реже – 415, которые и определяют максимально достижимый коэффициент усиления Ку двухкаскадного усилителя около 40 дБ. Разумеется, в столь широкой рабочей полосе частот коэффициент усиления не остается постоянным – его изменения достигают 10. 15 дБ вследствие неравномерности АЧХ на высших частотах диапазона и коррекции на низших. При максимальных значениях коэффициента усиления Ку трудно обеспечить устойчивость усилителей, поэтому в ряде моделей он ограничен значениями до 10. 30дБ, что во многих случаях вполне достаточно (см. табл. 1).

Вопреки распространенному мнению, следует отметить, что коэффициент усиления нельзя считать главным параметром антенного усилителя. Ведь сами телевизоры обладают весьма большим запасом собственного усиления, т. е. Имеют высокую чувствительность, ограниченную усилением. Несколько хуже у них чувствительность, ограниченная синхронизацией. И наконец, наиболее низкая – чувствительность, ограниченная шумами [2]. Следовательно, фактором, определяющим дальний прием, следует принять уровень собственных шумов электронного тракта, а не коэффициент усиления. Другими словами, ограничение возможности приема в первую очередь наступает из-за влияния шумовых помех, а не из-за недостатка усиления сигнала.

Влияние шума оценивают по отношению сигнал/шум, минимальное значение которого принято равным 20 [2]. При этом отношении и определяют чувствительность, ограниченную шумами, которая равна напряжению входного сигнала, в 20 раз большему напряжения собственных шумов.

Для телевизоров третьего-пятого поколений чувствительность, ограниченная шумами, равна 50. 100 мкВ. Однако при отношении сигнал/шум, равном 20, наблюдаются очень плохие качество изображения и разборчивость только крупных деталей. Для получения изображения хорошего качества следует подать на вход телевизора полезный сигнал, примерно в 5 раз больший, т. е. обеспечить отношение сигнал/шум около 100 [2].

Антенный усилитель должен увеличивать отношение сигнал/шум, а для этого следует усиливать сигнал, а не шум. Но любой электронный усилитель неизбежно имеет собственные шумы, которые усиливаются вместе с полезным сигналом и ухудшают отношение сигнал/шум. Поэтому важнейшим параметром антенного усилителя следует считать его коэффициент шума Кш. Если он недостаточно мал, то повышение коэффициента усиления бесполезно, так как и сигнал, и шум усиливаются в равной мере и их отношение не улучшается. В результате даже при достаточном уровне сигнала на антенном входе телевизора изображение будет поражено интенсивной шумовой помехой (хорошо известный всем «снег»).

Для единой оценки шумов многокаскадного тракта существует показатель приведенного к входу коэффициента шума Кш, который равен уровню шума на выходе, поделенному на общий коэффициент усиления, т. е. Кш=Кш.вых/Ку. Так как выходной уровень шума Кш.вых зависит в наибольшей степени от уровня шума первого транзистора, усиливаемого всеми последующими каскадами, шумами остальных каскадов можно пренебречь. Тогда Кш.вых=Кш1Ку, где Кш, – коэффициент шума первого транзистора. Следовательно, получим Кш=Кш1, т. е. приведенный коэффициент шума усилительного тракта не зависит от числа каскадов и общего коэффициента усиления, а равен только коэффициенту шума первого транзистора.

Отсюда вытекает важный практический вывод – применение антенного усилителя может дать положительный результат тогда, когда коэффициент шума первого транзистора усилителя меньше коэффициента шума первого каскада телевизора. В селекторах каналов телевизоров пятого поколения применен полевой транзистор КП327А с коэффициентом шума 4,5 дБ на частоте 800 МГц [З]. Следовательно, в первом каскаде антенного усилителя должен работать транзистор с Кш1 1. Тужилин С. Усилитель ДМВ из широкополосного. – Радио,1997, N 7,с.15.
2. Никитин В. Советы любителям дальнего приема телевидения. Сб.: «В помощь радиолюбителю», вып. 103. – М.: ДОСААФ, 1989.
3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности. Справочник. Под ред. А. В. Голомедова. – М.: Радио и связь, 1989.

Антенный усилитель для телевизора, является широко распространен на просторах СНГ. Он является оптимальным решением для улучшения качества теле сигнала. Собственное усиление в антенне не играет значительной роли, а вот её антенный усилитель серьезно влияет на качество картинки.

Лучшими усилителями, зарекомендовавшими себя в течение годов работы, принято считать SWA-7, 14, 17, 107, 109, 2000. SWA-2000 является более новым антенным усилителем, имеющим два дополнительных транзистора. В составе усилителя есть два транзистора VT1 и VT2, которые включены в соответствии со схемой к ОЭ. Снятие сигнала происходит на коллекторе в транзисторе VT2 и подается проходя конденсатор С9 к кабелю. Расположение дополнительных транзисторов VT3 и VT4 осуществляется в активных цепях, которые обеспечивают напряжением смещения базы в транзисторах VT1 и VT2.

Несмотря на то, что активно вводится цифровое телевидение, на антенны, имеющие активное усиление всегда будет спрос, Поскольку сигнал к телевизионному тюнеру подается при помощи антенн, имеющих дециметровый диапазон.

Так вот, для улучшения телевизионного сигнала пользуются антенным усилителем. Наилучшее усиление достигается, когда установка антенного усилителя производиться не рядом с телевизионным входом, а в непосредственной близости с антенной. Для уменьшения затухания лучше пользоваться современными коаксиальными кабелями. Усилитель питается при помощи коаксиального кабеля. Номинал напряжения блока питания в антенном усилителе чаще всего равен 12 В, а значение затухания кабеля 0,1 — 0,5 децибел на м, если брать разные телевизионные каналы.

В сельской местности, когда телецентры находятся на большом расстоянии, пользуются усилителями, усиление которых больше 100 Дб. Если усилитель был подобран неправильно, либо фидер и антенна не согласованы должным образом, ТО за счет возбуждения усилителя экран телевизора будет показывать с помехами, снегом.

Хоть антенный усилитель для телевизора можно купить практически на любом углу, в большинстве из них используется стандартная схема. То есть они являются двухкаскадными апериодическими усилителями, имеющими биполярные высокочастотные транзисторы, включенные в соответствии со схемой ОЭ. Взглянем внимательнее на такие модели: SWA-36 и SWA-49

В усилителе SWA-36 содержатся широкополосные каскады усиления с транзисторами VT1 и VT2. Значение сигнала антенны, по согласующему трансформатору и конденсатору С1 подается к базе в транзисторе VT1,который включен в схему с ОЭ. Определение рабочей точки в транзисторе производиться за счет напряжения смещения, которое определяется при помощи резистора R1. При этом, за счет действия отрицательной обратной связи (ООС) характеристика в первом каскаде становиться линейной, происходит стабилизация положения рабочей точки, однако, уменьшается значение усиления.

Для первого каскада не применяется коррекция частоты. Выполнение второго каскада тоже осуществляется с использованием транзистора в схеме с ОЭ и с ООС, за счет прохождения напряжения по резисторам R2 и R3.Однако, тут еще имеется токовая ООС, по резистору R4, которым обладает эмиттерная цепь. Она стабилизирует транзистор VT2. Чтобы избежать больших потерь по усилению, производиться шпунтовка резистора R4 при помощи конденсатора СЗ, который обладает относительно малой емкостью (10 пФ).

Результатом этого является то, что нижние частоты в диапазоне емкостного сопротивления на конденсаторе СЗ будут существенными и ООС переменного тока приводит к уменьшению усиления, за счет чего производиться коррекция того самого АЧХ усилителя. Усилитель SWA-36 имеет недостатки, среди них следует выделить пассивную потерю, которой обладает выходная цепь.

Устройство усилителя SWA-49 можно считать таким же, за исключением некоторых отличий.

В нем реализована лучшая развязка цепей питания, за счет фильтров L1C6, R5C4 и повышен коэффициент усиления, благодаря конденсаторам С5 и С7.

В качественном антенном усилителе должно увеличиваться отношение сигнала и шума. Однако, в любом электронном усилителе обязательно имеется собственный шум, который усиливается как и сигнал. По этой причине, следи важных параметров, в антенном усилителе нужно выделит коэффициент шума. Если его значение велико повышать коэффициент усиления бессмысленно.

Схемы антенных усилителей для кв приемников. Антенные усилители для радио и тв. Настройка и испытание

Сужение полосы пропускания ФОС

Микрофонный усилитель с АРУ

Схема резонансного усилителя на К174ПС1

Диапазон частот 0,2…200 мгц определяется выбором контура L. Коэффициент передачи не менее

20 дБ. Глубина АРУ не менее 40 дБ.

S-метр на светодиодах

Подключают S-метр на вход УНЧ, до регулятора громкости. Настройка заключается в замене резисторов R9 и R10 одним подстроечным резистором, для уточнения номиналов этого делителя.

ФНЧ для транзисторного усилителя мощности КВ радиостанции

Предлагаемый ФНЧ работает совместно с транзисторным усилителем мощности в диапазоне частот от 1,8 до 30 мгц при выходной мощности не более 200 вт.

Катушки индуктивности ФНЧ бескаркасные и намотаны виток к витку проводом ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм на диапазоны 14; 18; 21; 24,5; 28 мгц и проводом ПЭВ-2 диаметром 1,0 мм – на остальные. Номиналы конденсаторов C1, C2, C3, не попадающие в стандартные ряды, необходимо подобрать из нескольких конденсаторов в параллельном или последовательном включении.

Конструктивно ФНЧ выполнен на трехсекционном керамическом галетном переключателе 1 типа 11П3Н в виде единого, заключенного в экранирующий корпус из немагнитного материала. Медная шина 2 является общим проводом ФНЧ и соединяется

электрически с корпусом 3, шасси радиостанции и шиной заземления. Средняя галета переключателя – опорная – для монтажа элементов фильтра. На входе и выходе ФНЧ установлены коаксиальные разьемы типа СР-50.

И. Милованов UY0YI

Переключатель диапазонов

Эмитеры транзисторов нагружают на реле переключения диапазонов

Умножитель добротности для простого приемника

Приставка, позволяющая повысить чувствительность и избирательность приемника за счет положительной обратной связи без его переделки.

Умножитель добротности представляет собой недовозбужденный генератор электрических колебаний с положительной обратной связью, величину которой можно изменять. Если режим работы генератора подобрать таким, что компенсация активных потерь в колебательном контуре будет неполной, то самовозбуждение колебаний не возникнет, однако добротность контура окажется весьма большой. При включении такого контура в резонансный усилитель приемника избирательность и чувствительность может возрасти в десятки раз. Наиболее часто Q-умножитель можно включить в усилитель промежуточной частоты. Сам Q-умножитель выполняется в виде отдельной конструкции, имеющей выводы для подключения ее к приемнику.

Ток эмиттера таранзистора, определяющий его усилительные свойства, можно плавно регулировать переменным резистором R2. Когда ток эмиттера мал, действие ПОС проявляются слабо. При постепенном увеличении тока эмиттера влияние ПОС усиливается из-за увеличения усилительных свойств транзистора и, наконец, при некотором значении обратной связи наступает возбуждение генератора.Если довести умножитель добротности до самовозбуждения, то он будет работать, как второй гетеродин; при этом полоса пропускания смесителя может доходить до 500 Гц и менее. В этом режиме на приемник возможен прием радиостанций, работающих телеграфом. Контуры LC и L1C1 должны быть настроены на промежуточную частоту.

Кварцевый генератор 500 кгц

В спортивной аппаратуре используются кварцевые генераторы на частоту 500 кгц. Но бывает так, что у радиолюбителя не оказывается нужного кварца. В этом случае выручает кварцевый генератор с последующим делением до нужной частоты. Вашему вниманию предлагается схема такого устройства на микросхеме IC 4060 (генератор и 14 разрядный счетчик)

Генератор работает на частоте кварца (широкодоступного) 8 мгц. Выходной сигнал имеет частоту 500 кГц. Фильтр нижних частот на выходе имеет частоту среза приблизительно 630 кГц и отделяет первую гармонику, в результате чего получается чистый синусоидальный сигнал. Буферный усилитель реализован на биполярном транзисторе по схеме «общий коллектор»

ГПД смесительного типа

В.Сажин

ГПД смесительного типа разработан для трансивера с промежуточной частотой 9 мгц. Диапазон перестройки задающего генератора на транзисторе VT1-5,0…5,5 мгц. ВЧ напряжение на выходе истоковых повторителей около 2-х вольт. Равенства выходных напряжений на разных диапазонах добиваются подбором сопротивлений резисторов Rв включаемых последовательно с L2. Настройки фильтров L2-L3 производится на средину рабочего диапазона ГПД. Фильтра, как и Т1, мотаются на ферритовых кольцах ВЧ3 диаметром 10 мм.

Преобразователь частоты

Показанный на схеме смеситель обеспечивает более широкий динамический диапазон (по сравнению с активными смесителями) и очень низкий уровень шумов, который позволяет даже без предварительного УРЧ получить высокую чувствительность приемника. На выходе смесителя используется контур, настроенный на частоту ПЧ.

От предложенной в [Л.1] схемы отличается способом подачи на затворы транзисторов отрицательного, относительно истоков, напряжения смещения, необходимого для получения максимальной чувствительности. Затворы через обмотку Т1 соединены гальванически с общим минусом питания. А на истоки подается положительное напряжение смещения с подстроечного резистора R1. Таким образом затворы оказываются под отрицательным потенциалом по отношению к истокам. Такой способ подачи смещения выгоден для конструкций с общим минусом, так как не требует дополнительного отрицательного источника питания.

ВЧ трансформатор намотан на ферритовом кольце диаметром 7 мм и проницаемостью 100НН или 50ВЧ. Намотка ведется в три провода, 12 витков. Одну обмотку используют как «3», а «1» и «2» соединяют последовательно (конец одной обмотки с началом другой). Для указанных на схеме транзисторов оптимальное напряжение смещения 2,5 V (выставляется по максимуму чувствительности) и уровень напряжения гетеродина 1,5V. Транзисторы применимы КП302,303,307 c наименьшим током отсечки. Несколько лучших параметров можно достичь с транзисторами КП305.

Смеситель является реверсивным и с успехом может применяться в трансивере.

Вариант схемы с применением ЭМФ показан на Рис 2.

Литература

1. В. Поляков Б. Степанов

Смеситель гетеродинного приемника

Радио №4 1983 г

Коммутатор режимов «прием/передача»

Смеситель гетеродинного приемника

В. Беседин UA9LAQ

Статья с таким заголовком была опубликована в . В ней описывался смеситель на полевых транзисторах, используемых в качестве управляемых сопротивлений. Схема смесителя, приведенная в , выполнена на подобранной паре

полевых транзисторов с n-каналом и получает смещение от источника отрицательного напряжения двухполярного блока питания. Такое питание довольно громоздко для приёмника, особенно переносного. В настоящее время большое распространение получила аппаратура с однополярным источником питания с “заземленным минусом”.

Чтобы адаптировать смеситель к современным реалиям, предлагаю заменить транзисторы V1 и V2 на транзисторную сборку серии К504. В этом случае мы имеем идентичную пару транзисторов с р-каналом, на затворы которых через подстроечный резистор R1 подается положительное напряжение.

Проведённые автором исследования показали, что данная сборка удовлетворительно работает даже на частотах 2-метрового диапазона (144–146МГц), но приёмник с таким смесителем на УКВ несколько “туповат”. Тем не менее, автор применил данный смеситель в варианте УКВ ЧМ супергетеродинного приёмника на 145,5 МГц для местной УКВ сети TRAN . Частота кварцевого гетеродина — 67,4 МГц, промежуточная частота приёмника — 10,7 МГц. Усилитель высокой частоты на транзисторе КТ399А помог добиться чувствительности приёмника в единицы микровольт.

Поскольку полевые транзисторы сборки требуют смещения для их «закрывания”, то, воспользовавшись данными из , можно подобрать экземпляр сборки под напряжение питания приёмника. Кроме того, полевые транзисторы в сборках К504НТЗ и К504НТ4 – довольно мощные, что может положительно сказаться на динамических характеристиках приёмника.

Эта схема имеет простую коммутацию диапазонов(переключением катушек), имеет усиленную стабилизацию режима генерации и показывает весьма приличную стабильность. Ее планировали в качестве ГПД при ПЧ=5МГц, так вот стабильность на 24МГц была очень приличной (порядка 200Гц за час). А вообще при указанных номиналах она перекрывает непрерывно диапазон от 6,7 до35МГц при неравномерности амплитуды не более 6дБ

Если Вам понравилась страница — поделитесь с друзьями:

Делаем рамочную активную антенну для простых коротковолновых радиоприемников.

Есть ли возможность слушать эфир людям, у которых нет места для установки больших, полноразмерных антенн? Один из выходов- рамочная активная антенна, установленная прямо на столе, возле радиоприемника.

О практическом изготовлении подобной антенны и будет рассказано в этой статье…

Итак, малогабаритная рамочная активная антенна, это антенна состоящая из одного или нескольких витков медного провода (трубки) или даже коаксиального кабеля. В сети есть предостаточно примеров таких антенн.

Свою антенну я изготовил в виде вертикальной конструкции, которая устанавливается на столе возле радиоприемника. Рамочная активная антенна представляет собой этакую большую катушку индуктивности, изготовлена из медного провода диаметром 1,2 мм и содержит четыре витка. Количество витков выбрано наобум)). Диаметр изготовленной рамочной антенны примерно 23 см:

Для уменьшения собственной емкости витки антенны намотаны с шагом 10 мм. Для поддержания постоянства шага намотки, а также придания всей конструкции необходимой жесткости применены промежуточные распорки, изготовленные из стеклотекстолита толщиной 2 мм. Эскиз распорок приводится ниже:

Так выглядит промежуточная распорка в антенне:

Для придания устойчивости все этой конструкции применены опорные стойки, также изготовленные из стеклотекстолита,и которые служат как бы ножками антенны:

Медный провод продевается в соответствующие отверствия распорок и стоек, и фиксируется в них капелькой цианакрилатного клея.

Так выглядит стойка в изготовленном экземпляре антенны:

Общий вид изготовленной антенны:

Ради интереса подключил изготовленную рамочную антенну к антенному анализатору АА-54.

Обнаружился собственный резонанс антенны на частоте 14,4 МГц.

На фото ниже дисплей антенного анализатора АА-54 в момент измерения параметров рамочной антенны на частоте резонанса:

Как видим, импеданс антенны на частоте 14,4 МГц составляет 13,5 Ом, активное сопротивление-7,3 Ома, реактивное сопротивление относительно небольшое-минус 11,4 Ома и носит емкостной характер.

Индуктивность рамочной антенны (а она, собственно, и представляет собой катушку индуктивности) составила 7,2 мкГн.

Это все, что касается изготовления и параметров собственно рамочной антенны.

Но, поскольку антенна активная, значит в ее составе имеется и антенный усилитель.

При выборе схемы антенного усилителя руководствовался принципом подобрать что-либо не слишком заумное и сложное, и простое в изготовлении.

Гугл, как всегда, вывалил гору схем)) Не долго думая, выбрал одну из них, которая мне показалась интересной.

Схема этого антенного усилителя была опубликована еще где-то в начале 2000-х годов в одном из зарубежных журналов. Мне этот усилитель показался интересным с той точки зрения, что он имеет симметричный вход-как раз подходящий для моей рамочной антенны.

Принципиальная схема антенного усилителя:

В оригинале в этом усилителе были применены транзисторы серии BF- что-то типа BF4**.

В наличии таких не оказалось, поэтому собрал усилитель из того, что было под рукой-2N3904, 2N3906, S9013.

Собственно, усилительный каскад собран на транзисторах VT1VT2. На транзисторе VT3 собран эмиттерный повторитель для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с относительно невысоким входным сопротивлением радиоприемников.

Усилитель питается напряжением 6 В. Режимы работы транзисторов устанавливаются подбором резистора R3. Напряжения на электродах транзисторов указаны на схеме.

Усилитель заработал практически сразу. Попробовал было установить в этом усилителе транзисторы КТ315,Кт361-но эффективность работы его сразу заметно ухудшилась, поэтому от такого варианта отказался. Антенный усилитель я собрал на монтажной плате, но, подготовил и печатную плату для него:

В качестве приемника для натурных испытаний активной рамочной антенны с усилителем был выбран

Подключив выход антенного усилителя ко входу приемника и включив питание, сразу отметил увеличение уровня шума. Это и не удивительно-антенный усилитель вносит свой вклад…

Последним этапом испытаний было подключение собственно рамочной антенны ко входу антенного усилителя и попробовать принять какие-либо сигналы с эфира..

И это удалось! Хорошо слышны много станций работающих с однополосной модуляцией на диапазоне 40 м. Понятно, что станции слышны не так громко как на полноразмерную антенну. Да и нельзя сравнивать нормальную антенну с рамочной антенной, находящейся рядом с приемником. Также при работе активной рамочной антенны наблюдается несколько повышенный уровень шумов. С этим нужно мириться- это плата за малогабаритность. Также желательно такую антенну располагать подальше от всевозможных источников помех- зарядки, энергосберегающие лампочки, сетевое оборудование и т. п.

Выводы : такая антенна вполне себе имеет право на жизнь, станций принимает достаточно много. Для тех, у кого нет возможности повесить большую, длинную антенну, это может быть выходом из ситуации.

Видео демонстрации работы рамочной активной антенны на диапазоне 7 МГц:

Для увеличения чувствительности радиоприемных средств — радиоприемников, телевизоров используют различные усилители высоких частот (УВЧ). Включенные между приемной антенной и входом радио- или телеприемника, подобные УВЧ увеличивают сигнал, поступающий от антенны (антенные усилители). Использование таких усилителей позволяет увеличить радиус уверенного радиоприема, в случае приемных в составе приемопередатчиков (радиостанций), позволяет увеличить дальность работы, либо при сохранении той же дальности уменьшить мощность излучения радиопередатчика.

На рис. 1 приведена схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц. Значения используемых элементов зависят от частот (нижней и верхней) радиодиапазона.

Транзисторные каскады, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивают сравнительно высокое усиление, но их частотные свойства относительно невысоки.

Транзисторные каскады с общей базой (ОБ), обладают меньшим усилением, чем транзисторные с ОЭ, но их частотные свойства лучше. Это позволяет использовать те же транзисторы, что и в схемах с ОЭ, но на более высоких частотах.

  • Катушка L1 – бескаркасная Ø4 мм содержит 2,5 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм.
  • Дроссель L2 – ВЧ дроссель 25 мкГн.
  • Дроссель L3 – ВЧ дроссель 100 мкГн.
  • Транзисторы КТ3101, КТ3115, КТ3132…

Монтаж усилителя выполняется на двустороннем стеклотекстолите навесным способом, длина проводников и площадь контактных площадок должны быть минимальны. При повторении схемы, необходимо предусмотреть тщательное экранирование устройства.

Если Вам понравилась публикация, поделитесь со своими друзьями в соцзакладках ниже…

Чем больше я познаю современную элементную базу, тем больше удивляюсь тому, как просто сейчас делать такие электронные устройства, о которых раньше можно было только мечтать. К примеру, антенный усилитель, о котором пойдет речь, имеет рабочий диапазон частот от 50 МГц до 4000 МГц. Да, почти 4 ГГц! Во времена моей молодости о таком можно было просто мечтать, а сейчас такой усилитель на одной крохотной микросхеме может собрать даже начинающий радиолюбитель. Причем не имеющий опыта работы со сверх высокочастотной схемотехникой.
Представленный ниже антенный усилитель необычайно прост в изготовлении. Имеет хороший коэффициент усиления, низкий уровень шума и низкий ток потребления. Плюс очень широкий диапазон работы. Да, ещё и миниатюрный размер, благодаря которому его можно встроить куда угодно.

Где можно применить универсальный антенный усилитель?

Да практически где угодно в широком диапазоне 50МГц – 4000МГц.
  • Как усилитель сигналов телевизионной антенны для приема как цифровых, так и аналоговых каналов.
  • Как антенный усилитель для FM приемника.
  • — др.
Это что касается бытового использования, а в радиолюбительской сфере применения гораздо больше.

Характеристики антенного усилителя

  • Рабочий диапазон: 50 МГц – 4000 МГц.
  • Усиление: 22,8 дБ — 144 МГц, 20,5 дБ — 432 МГц, 12,1 дБ — 1296 МГц.
  • Коэффициент шума: 0,6 дБ — 144 МГц, 0,65 дБ — 432 МГц, 0,8 дБ — 1296 МГц.
  • Ток потребления порядка 25 мА.
Более подробные характеристики можно посмотреть в .
Малошумящий усилитель отлично себя зарекомендовал. Низкий ток потребления вполне себя оправдывает.
Так же микросхема отлично выдерживает высокочастотные перегрузки без потери характеристик.

Изготовление антенного усилителя

Схема

В схеме используется микросхема фирмы RFMD SPF5043Z, которую можно купить на — .
По сути вся схема — это микросхема усилитель и фильтр для ее питания.

Плата усилителя


Плату можно сделать из фольгированного текстолита, даже без травления, как это сделал я.
Берем двух сторонний фольгированный текстолит и выпиливаем прямоугольник размером примерно 15х20 мм.


Затем, перманентным маркером рисуем по линейке разводку.


А дальше хотите травите, а хотите вырезайте дорожки механически.


Далее все залуживаем паяльником и припаиваем SMD элементы типоразмера 0603. Нижнюю сторону платы фольги замыкаем на общий провод, тем самым экранируем подложку.

Настройка и испытание

Настойка не требуется, можно конечно замерить входное напряжение, которое должно быть в пределах 3,3 В и потребляемый ток примерно равен 25 мА. Так же если вы работаете в диапазоне выше 1 ГГц, то возможно, потребуется согласовать входной контур, уменьшением конденсатора до 9 пФ.
Подключаем плату к антенне. Проверка показала хорошее усиление и низкий уровень шума.


Будет очень хорошо, если разместить плату в экранированном корпусе, типа такого.


Плату уже готового усилителя можно купить на , но стоит она же в разы дороже, чем микросхема отдельно. Так что лучше заморочиться как мне кажется.

Дополнение схемы

Для питание схемы требуется напряжение 3,3 В. Это не совсем удобно, к примеру, если использовать усилитель в автомобиле с напряжением бортовой сети 12 В.


Для этих целей можно ввести в схему стабилизатор.

Подключение усилителя к антенне

По расположению, усилитель следует располагать в непосредственной близости у антенны.
Для защиты от статики и гроз желательно, чтобы антенна была бы замкнута по постоянному току, то есть нужно использовать петлевой или рамочный вибратор. Антенна типа « » будет отличным вариантом.

УСИЛИТЕЛИ НА ОДНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

УСИЛИТЕЛИ НА ОДНОМ ТРАНЗИСТОРЕ На главную

 

На рис. 1, а приведена схема УВЧ для портативного супергетеродинного приемника, работающего в диапазонах длинных (ДВ), средних (СВ) и коротких (KB) волн. Как показано на рис. 1, а, эту приставку включают в радиоприемнике между катушкой связи LCB магнитной антенны МА и входом преобразователя частоты. Тем самым в радиоприемнике обеспечивается дополнительное (в 5 — 6 раз) усиление принимаемых сигналов.

Рис. 1. Схемы однотранзисторных усилителей высокой частоты:

а — без корректирующих элементов; б — с корректирующим дросселем- в — вариант применения микросхемы К2УС242 в качестве УВЧ с апериодической нагрузкой; г — микросхема К2УС242

 

УВЧ собран на транзисторе T1 по схеме с коллекторной нагрузкой — резистором R3. Режим работы транзистора обеспечивается резисторами Rl, R2 и R4. Усиленный сигнал снимается с резистора R3 и через разделительный конденсатор С4 подается на вход преобразователя частоты.

Для обеспечения равномерного усиления сигнала во всем диапазоне рабочих частот приемника нагрузка усилителя (резистор R3) имеет малое сопротивление. Резистор R5 и конденсатор С2 образуют в цепи питания УВЧ развязывающий фильтр. Напряжение смещения на базу транзистора Т2 преобразовательного каскада приемника поступает через резистор R6.

УВЧ монтируют на гетинаксовой плате размером 30 X X 20 мм и размещают в корпусе приемника вблизи преобразовательного каскада. Налаживание приставки сводится к подбору такого сопротивления резистора R1, при котором сила тока в цепи коллектора транзистора Т1 составляет 0,8 — 1 мА.

В усилителе желательно использовать транзисторы типа ГТ322А, ГТ322Б, ГТ322В и им подобные.

В заключение отметим, что аналогичные усилители используются в промышленных приемниках «Банга», «Космонавт», «Альпинист» и др.

Усилитель, рассмотренный выше, обеспечивает сравнительно равномерное усиление в полосе частот 100 кГц — 15 МГц. На частотах же выше 15 МГц усиление падает из-за влияния в основном входной цепи преобразовательного каскада, сопротивление которой приобретает на этих частотах емкостный характер. Для уменьшения этого влияния применяют различные корректирующие эЛемен-ты и цепи. Наиболее простым и эффективным решением является включение последовательно с нагрузкой УВЧ — резистором R3 — корректирующего дросселя. На рис. 1, б приведена схема такого усилителя, обеспечивающего практически постоянный коэффициент усиления, равный шести (15 дБ) в полосе частот 100 кГц — 30 МГц. Здесь корректирующий дроссель Др1 с индуктивностью около 2 мкГ содержит 30 витков провода ПЭВ-1 0,15, намотанных на резисторе типа МЛТ-0,5 сопротивлением 100 кОм. В этом УВЧ, как и в предыдущем, можно использовать резисторы МЛТ-0,25, конденсаторы КПС, КДС, КТ-la и транзисторы ГТ322 групп А, Б, В, Г, Д или Е.

Рис. 2. Схема УВЧ на полевом транзисторе для простого KB приемника

 

Приставка УВЧ может быть выполнена также на базе интегральной микросхемы (ИМС) К2УС242, как показано, например, на рис. 1, в. Для пояснения схемотехнического построения этого устройства обратимся к принципиальной схеме ИМС К2УС242, представленной на рис. 1, г..Как видно, резистор R2 используется в УВЧ в качестве сопротивления нагрузки; резистор R3 стабилизирует режим работы транзистора Т1 по постоянному току, а элементы R4, СЗ включены как развязывающий фильтр в цепи коллекторного питания. Напряжение смещения на базу, транзистор а Т1 следует подавать через развязывающий фильтр (R2C1 на рис. 1, в) от стабилизатора 2,5 — 3 В. Эту цепь можно использовать и для подачи напряжения автоматической регулировки усиления (АРУ). Описанный УВЧ целесообразно сконструировать как приставку к автомобильнцм приемникам, где общий провод соединен, как правило, с минусовой шиной источника питания — аккумулятора. Конструктивные данные дросселя Др1 те же, что и для схемы на рис. 1, б. Для налаживания приставки достаточно подобрать такое сопротивление резистора R2, при котором сила тока коллектора транзистора Т1 (ток в цепи вывода 9 ИМС) составит 1 — 1,2 мА.

Подключение описанных приставок к приемнику может быть выполнено по схеме рис. 1, а либо другой, в зависимости от построения последующего каскада приемника.

Принципиальная схема другого варианта УВЧ, предназначенного для работы совместно с простым коротковолновым приемником супергетеродинного типа, приведена на рис. 2. Усилитель собран на полевом транзисторе Т1 с р — n переходом и каналом n типа. Полевые транзисторы отличаются высоким входным сопротивлением и малым уровнем шумов, что позволяет значительно улучшить характеристики всего приемного устройства, работающего с подобной приставкой.

Сигнал принимаемой радиостанции с внешней антенны через гнездо Гн1 поступает в. катушку связи L1, с которой индуктивно связан колебательный контур, образованный катушкой L2 и конденсатором переменной емкости С1. С помощью этого конденсатора лсонтур можно настроить на любую радиостанцию, работающую в диапазоне частот от 6 до 12 МГц (25 — 50 м). В таком же диапазоне частот работает и приемник.

Применение индуктивной свя§и контура L2C1 с антенной позволяет подобрать оптимальную связь между ними. Как видно из схемы, колебательный контур полностью подключен к транзистору, что дает возможность получить от такого УВЧ значительное усиление сигнала и повысить избирательность всего приемного устройства по зеркальному каналу. В среднем дополнительное улучшение избирательности по зеркальному каналу в такой приставке может быть 10 — 20 дБ, особенно это важно для уменьшения помех от радиостанций, частоты которых отличаются от принимаемых сигналов на две промежуточные частоты.

Необходимый режим работы транзистора Т1 обеспечивается включением в цепь истока резистора R1. Последний по переменной составляющей напряжения заблокирован конденсатором СЗ. Нагрузкой транзистора является дроссель Др1, включенный в цепь стока. Выделенное на дросселе усиленное напряжение сигнала через конденсатор С2 и коаксиальное гнездо Гн2 подается на вход приемного устройства.

При повторении конструкции в -ней можно использовать полевые транзисторы КПЗОЗВ, 2ПЗОЗВ, КПЗОЗГ, 2ПЗОЗГ, конденсаторы КЛС, переменный конденсатор С1 любого типа, но -желательно с воздушным диэлектриком. Катушки LI, L2 наматывают последовательно друг за другом на фарфоровом каркасе диаметром 12 мм проводом ПЭВ-1 0,35. Катушка L1 содержит 21 виток, L2 — 5 витков. Дроссель Др1 должен иметь индуктивность около 2,5 МГц. Для изготовления такого дросселя можно использовать резистор типа МЛТ-2 с сопротивлением более 50 кОм, намотав на него 40 витков провода ПЭЛШО 0,2.

Питание приставки, потребляющей ток всего 5 мА, можно производить от отдельной батареи «Крона». Однако не исключается и использование источника питания приемника, если минусовый вывод его соединен с общим проводом. Приставку монтируют на плате из гетинакса или стеклотекстолита. Габариты платы определяет тип переменного конденсатора, используемого в приставке. Плату размещают в экране из листовой меди толщиной 0,5 — 0,7 мм. На передней стенке экрана располагают ручку настройки (С1) и выключатель питания (В1). Гнезда Гн1 и Гн2 укрепляют на боковых стенках экрана.

Налаживание приставки начинают с установки тока стока транзистора 77, уточняя сопротивление резистора R1. Миллиамперметр со шкалой 10 мА подключают параллельно разомкнутым контактам BL При этом следует соблюдать все предосторожности, необходимые при работе с полевым транзистором.

Затем к приставке присоединяют антенну и вход приемника (отрезком коаксиального кабеля длиной 30 — 40 см). Как правило, приставка сразу начинает работать после включения. Ручку переменного конденсатора С1 вращают до совпадения настроек усилителя и приемника на данном диапазоне. Этот момент характерен увеличением шумов, прослушиваемых в громкоговорителе приемника. Затем приемник настраивают на радиостанцию и подстраивают приставку точнее по наибольшей громкости- Действие приставки проверяют на всем диапазоне частот. Если на крайних частотах диапазона приставка не настраивается и добиться увеличения шумов не удается, следует более точно подобрать число витков катушки контура L2.

Для удобства работы в приставке желательно предусмотреть шкалу, а ручку переменного конденсатора С1 снабдить указателем настройки. На шкале отмечают положения ручки, соответствующие наибольшему усилению для того или иного диапазона (25, 31, 41, 49 м). Налаживание приставки значительно упрощается при наличии сигнал-генератора (СГ) и высокочастотного вольтметра.

 


 

И.И.Андрианов
Сайт создан в системе uCoz

Усилитель на полевых транзисторах — TINA и TINACloud

Усилитель на полевых транзисторах

В этой главе мы используем подход, который мы использовали для биполярных транзисторов, на этот раз концентрируясь на полевых транзисторах. Изучив этот материал, вы

  • поймете разницу между полевыми транзисторами и биполярными транзисторами.
  • Узнайте о различиях между различными формами полевых транзисторов.
  • Знать, как смещать полевые транзисторы для линейной работы.
  • Понимание моделей слабого сигнала и их использования.
  • Уметь анализировать схемы усилителей на полевых транзисторах.
  • Уметь проектировать схемы усилителей на полевых транзисторах в соответствии со спецификациями.
  • Понимать, как программы компьютерного моделирования моделируют полевые транзисторы.
  • Знать, как изготавливаются полевые транзисторы как часть интегральных схем.
ВВЕДЕНИЕ

Современный полевой транзистор (FET) , предложенный W. Shockley в 1952 году, отличается от BJT.Полевой транзистор представляет собой устройство мажоритарной несущей . Его работа зависит от использования приложенного напряжения для управления основными носителями (электроны в материале типа n и дырки в материале типа p ) в канале. Это напряжение управляет током в устройстве с помощью электрического поля.

Полевые транзисторы представляют собой устройства с тремя выводами, но, в отличие от биполярного транзистора, напряжение на двух выводах управляет током, протекающим в третьем выводе.Три терминала в полевом транзисторе — это сток , исток и затвор .

Сравнивая полевые транзисторы с биполярными транзисторами, мы увидим, что сток (D) аналогичен коллектору, а исток (S) аналогичен эмиттеру. Третий контакт, вентиль (G), аналогичен базе. Исток и сток полевого транзистора обычно можно поменять местами, не влияя на работу транзистора.

Мы подробно обсудим два класса полевых транзисторов: переходные полевые транзисторы (JFET) и металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).

Глава начинается с обсуждения характеристик MOSFET и JFET и сравнения этих характеристик. Затем мы исследуем способы использования этих устройств в схемах и методы смещения различных конфигураций усилителей.

Поскольку мы подробно изучаем методы анализа, мы представляем модели компьютерного моделирования. Затем следуют подробные разделы, посвященные методам анализа и методологии проектирования.

Глава завершается кратким описанием других специальных устройств.

Симуляторы цепей TINA и TINACloud, поддерживающие этот ресурс, включают в себя множество сложных моделей и схем компьютерного моделирования MOSFET и JFET, которые можно использовать для моделирования цепей.

NEXT- 1. Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Схема усилителя с общим источником на полевых транзисторах » Electronics Notes

Схема усилителя на полевых транзисторах с общим истоком является одной из наиболее часто используемых, обеспечивая усиление по току и напряжению наряду с удовлетворительным входным и выходным импедансом.


FET, схемотехника на полевых транзисторах Включает:
Основы схемотехники на полевых транзисторах Конфигурации цепи Общий источник Общий сток / исток повторителя Общие ворота


Конфигурация FET с общим истоком, вероятно, является наиболее широко используемой из всех конфигураций схемы FET для многих приложений, обеспечивая высокий уровень всесторонних характеристик.

Схема с общим истоком обеспечивает средний уровень входного и выходного импеданса. Усиление как по току, так и по напряжению можно охарактеризовать как среднее, но выходной сигнал является обратным входному, то есть изменение фазы на 180°. Это обеспечивает хорошую общую производительность и поэтому часто считается наиболее широко используемой конфигурацией.

Конфигурация схемы на полевых транзисторах с общим истоком

Сводка характеристик усилителя на полевых транзисторах с общим истоком

В таблице ниже приведены основные характеристики усилителя с общим источником.


Характеристики усилителя с общим источником
Параметр Характеристики усилителя
Коэффициент усиления по напряжению Средний
Коэффициент усиления по току Средний
Прирост мощности Высокий
Соотношение фаз вход/выход 180°
Входное сопротивление Средний**
Выходное сопротивление Средний

** Примечание: входное сопротивление самого полевого транзистора очень велико ввиду того, что он практически не потребляет ток.

Типовая схема усилителя с общим истоком

На приведенной ниже схеме показан типичный усилитель с общим истоком со смещением, а также включенными разделительными и обходными конденсаторами.

Базовый усилитель с общим истоком на полевых транзисторах

Входной сигнал поступает через C! — этот конденсатор гарантирует, что на затвор не повлияет какое-либо постоянное напряжение, поступающее от предыдущих каскадов. Резистор R1 удерживает затвор под потенциалом земли. Значение T обычно может быть около 1 МОм. Резистор R2 создает на нем напряжение, удерживающее источник выше потенциала земли.C2 действует как шунтирующий конденсатор для обеспечения дополнительного усиления по переменному току.

Резистор R3 создает на нем выходное напряжение, а C3 подключает переменный ток к следующему каскаду, блокируя постоянный ток.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем .. .

Переходные полевые транзисторы — Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Хотя он произвел революцию в разработке электронного оборудования, у биполярного (PNP/NPN) транзистора есть одна очень нежелательная характеристика. Низкий входной импеданс, связанный с переходом база-эмиттер, вызывает проблемы согласования импедансов межкаскадных усилителей.

В течение многих лет ученые искали решение, которое сочетало бы в себе высокую входное сопротивление вакуумной лампы со многими другими преимуществами транзистор.Результатом этих исследований является полевой транзистор . ( ФЭТ ). В отличие от биполярного транзистора, в котором используется ток смещения между базой и эмиттером для контроля проводимости полевой транзистор использует напряжение для управлять электростатическим полем внутри транзистора.

Элементы одного типа полевых транзисторов, переход полевой транзистор ( JFET ), сравниваются с биполярным транзистором на рисунке ниже. Как видно из рисунка, JFET представляет собой трехэлементное устройство, сравнимое с другой.Элемент «затвор» полевого транзистора JFET очень точно соответствует в работе к базе биполярного транзистора. Элементы «исток» и «сток» JFET соответствуют эмиттеру и коллектору биполярного транзистора.

Сравнение символов JFET (N-канальный) и биполярного транзистора (NPN).


Структура JFET

Конструкция JFET показана на рисунке ниже. Твердый брусок, сделанный либо из материала N-типа, либо из материала P-типа, образует основной корпус устройства.По обеим сторонам этого стержня рассредоточены два отложения материала противоположного типа из брускового материала, из которого формируются «ворота». порция бруска между отложениями воротного материала меньшего сечения сечение, чем остальная часть стержня, и образует «канал», соединяющий источник и слив. На рисунке ниже показан брусок из материала N-типа и ворота. из материала П-типа. Поскольку материал в канале N-типа, устройство называется N-канальным JFET. В P-канальном JFET канал изготовлен из материала P-типа, а ворота из материала N-типа.

Структура JFET

.


Символы JFET

На рисунке ниже схематические символы для двух типов JFET сравниваются. с биполярными транзисторами NPN и PNP. Как биполярный транзистор типы, два типа JFET отличаются только конфигурацией напряжений смещения требуется и в направлении стрелки внутри символа. Так же, как это в символах биполярных транзисторов стрелка в символе JFET всегда указывает к материалу N-типа.Таким образом, символ N-канального JFET показывает стрелка указывает на канал сток/исток, тогда как P-канал символ показывает стрелку, указывающую от канала стока/истока к каналу ворота.

Обозначения и напряжения смещения для биполярных транзисторов и JFET.


Смещение JFET

Ключом к работе полевого транзистора является эффективная площадь поперечного сечения канала, которым можно управлять, изменяя напряжение, подаваемое на затвор. Это продемонстрировано на следующих рисунках.

На рисунке ниже показано, как JFET работает в условиях нулевого смещения затвора. На JFET подается пять вольт, так что электронный ток течет через бар от истока до стока, как указано стрелкой. Терминал ворот привязан к земле. Это условие нулевого смещения затвора. В этом состоянии типичный бар представляет собой сопротивление около 500 Ом. Миллиамперметр, подключен последовательно с выводом стока и питанием постоянного тока, указывает количество текущего потока. С питанием стока ( V DD ) 5 вольт, миллиамперметр дает ток стока ( I D ) чтение 10 миллиампер.Нижние буквы напряжения и тока ( V DD , I D ) используется для FET соответствует к элементам полевого транзистора так же, как и к элементам транзисторов.

Работа JFET с нулевым смещением затвора.

На рисунке ниже на затвор подается небольшое напряжение обратного смещения. JFET. Напряжение затвор-исток ( В ГГ ) минус 1 вольт нанесенный на материал затвора P-типа, вызывает соединение между Материал P- и N-типа становится обратно смещенным.Так же, как это было в варикап, условие обратного смещения приводит к тому, что «область обеднения» формируются вокруг PN-перехода JFET. Поскольку этот регион имеет уменьшенный число носителей тока, эффект обратного смещения заключается в уменьшении эффективная площадь поперечного сечения «канала». Это уменьшение площади увеличивает сопротивление исток-сток устройства и уменьшает ток.

JFET с обратным смещением.

Приложение достаточно большого отрицательного напряжения к затвору вызовет область обеднения становится настолько большой, что проводимость тока через бар вообще останавливается.Напряжение, необходимое для уменьшения тока стока ( I D ) в ноль называется напряжение отсечки (или пороговое напряжение) и сравнимо для отключения напряжения в вакуумной трубке. На рисунке выше отрицательный 1 вольт применяется, хотя и недостаточно велико, чтобы полностью остановить проводимость, имеет вызвало заметное снижение тока стока (с 10 миллиампер при условия нулевого смещения затвора до 5 миллиампер). Расчет показывает, что Смещение затвора на 1 вольт также увеличило сопротивление полевого транзистора. (от 500 Ом до 1 кОм).Другими словами, изменение напряжения затвора на 1 вольт удвоил сопротивление устройства и вдвое сократил ток.

Эти измерения, однако, показывают только то, что JFET работает так, как похож на биполярный транзистор, хотя они сконструированы иначе. Как указывалось ранее, основным преимуществом полевого транзистора является то, что его входное сопротивление значительно выше, чем у биполярного транзистор. Более высокий входной импеданс полевого транзистора с обратным затвором условия смещения можно увидеть, подключив микроамперметр последовательно с напряжение затвор-исток ( В ГГ ), как показано на рисунке ниже.

Входной импеданс JFET

.

При В ГГ в 1 вольт микроамперметр показывает 0,5 мкА. Применение закона Ома (1 В / 0,5 мкА) показывает, что это очень маленькое количество протекающего тока приводит к очень высокому входному импедансу (около 2 МОм). Напротив, биполярный транзистор в подобных обстоятельствах потребуется более высокий ток (например, от 0,1 до 1 мА), что приведет к значительному более низкое входное сопротивление (около 1000 Ом или меньше). Более высокое входное сопротивление JFET возможен из-за того, как напряжение затвора обратного смещения влияет на площадь поперечного сечения канала.

В предыдущем примере работы JFET используется N-канальный JFET. Тем не мение, P-канальный JFET работает на тех же принципах. Различия между два типа показаны на рисунке ниже.

символы JFET и напряжения смещения.

Поскольку материалы, используемые для изготовления бара и ворот, меняются местами, потенциалы напряжения источника также должны быть инвертированы. P-канальный JFET поэтому требуется, чтобы положительное напряжение затвора было смещено в обратном направлении, и электронный ток течет через него от стока к истоку.

Кривые выходных характеристик JFET

График (рисунок ниже) тока стока (выхода) I D по отношению к напряжению сток-исток В DS , с усилением-исток напряжение В GS как параметр показывает две области: омическая область , в которой JFET действует как резистор переменной сопротивление в зависимости от напряжения на затворе, и область насыщения в ток стока практически не зависит от напряжения сток-исток ( область постоянного тока ).Обратите внимание, что когда напряжение сток-исток становится слишком большим, происходит внезапное увеличение тока, что указывает на ионизационный пробой полупроводникового кристалла.

Типовые выходные характеристики JFET (N-канальный).

Рабочие характеристики JFET

Тремя наиболее важными рабочими характеристиками устройства являются:

  1. Напряжение отсечки В P
  2. Ток стока I DSS в области отсечки (насыщения) при смещение нулевого затвора ( В GS = 0)
  3. Транскондуктивность г м

Напряжение отсечки — это значение напряжения смещения затвор-исток. (при нулевом или малом напряжении сток-исток), для которых область обеднения проникает (с обеих сторон) на всю толщину канала тем самым «пережимая» текущий поток (см. выше).С нулевым смещением затвор-исток напряжение ток протекания является максимальным.

Несколько характеристик передачи ( I D V GS ) с использованием различных упрощающих приближений. Самый полезный может быть адаптировано из Richer and Middlebrook [1], который заявил, что ток стока в области отсечки (насыщения) равен

Для многих устройств JFET n очень близко к 2.

Полевые транзисторы JFET обеспечивают коэффициент усиления, измеряемый крутизной , г м .Крутизна в области отсечки (насыщения) определяется выражением

Если n = 2, крутизна является линейной функцией входного напряжения. ( В ГС ).

Усилитель JFET

На рисунке ниже показана базовая схема усилителя с общим истоком, содержащая N-канальный JFET. Характеристики этой схемы включают высокий входной импеданс и высокий коэффициент усиления по напряжению. Функция компонентов схемы на этом рисунке очень похоже на биполярный переход транзистора Схема усилителя с общим эмиттером. С 1 и С 3 входные и выходные разделительные конденсаторы. Р 1 резистор возврата затвора. Это предотвращает нежелательное накопление заряда на затворе за счет обеспечение пути разгрузки для C 1 . Р 2 и C 2 обеспечивают собственное смещение источника для JFET, который работает как самосмещение эмиттера. R 3 резистор нагрузки стока, который действует как резистор нагрузки коллектора.

JFET усилитель с общим истоком.

Фазовый сдвиг на 180 градусов между входным и выходным сигналами одинаков. как у схем на транзисторах с общим эмиттером. Причину фазового сдвига легко увидеть, наблюдая работа N-канального полевого транзистора. При положительном чередовании входной сигнал, величина обратного смещения на материале затвора P-типа составляет уменьшается, что увеличивает эффективную площадь поперечного сечения канала и уменьшение сопротивления исток-сток.Когда сопротивление уменьшается, ток поток через JFET увеличивается. Это увеличение вызывает падение напряжения на R3 увеличивается, что, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на стоке. При отрицательном чередовании цикла величина обратного смещения на затвор JFET увеличивается, и действие схемы меняется на противоположное. В результате получается выходной сигнал, усиленный на 180 градусов по фазе. вариант входного сигнала.

Использованная литература:

  1. Ричер И.и Миддлбрук, Р. Д., «Степенной закон природы полевого эффекта». Экспериментальные характеристики транзистора», Proceedings, IEEE, Vol. 51, стр. 1145—1146, август 1963 г.

Транзистор — полевые транзисторы (полевые транзисторы) — ток, диод, заряд и сигнал

Полевые транзисторы (FET) представляют собой твердотельные активные устройства, основанные на принципе, отличном от BJT, но дающие практически тот же результат. Полевые транзисторы — это устройства с тремя выводами, как и биполярные транзисторы. Входная клемма полевого транзистора называется его затвором и представляет собой один из электродов диода с обратным смещением.Полевые транзисторы обеспечивают управление током путем направления тока через узкий путь типа n или p , проводимость которого регулируется входным сигналом. Выходной ток, управляемый полевым транзистором, проходит между двумя оставшимися клеммами, называемыми истоком и стоком. Ток через полевой транзистор должен проходить через узкий канал, образованный переходом вход-диод. Поскольку этот входной диод смещен в обратном направлении, в этом канале обычно мало носителей заряда. Входной сигнал на полевой транзистор может истощать или увеличивать количество доступных носителей заряда в этом канале, регулируя ток в цепи стока.Поскольку входной диод смещен в обратном направлении, полевой транзистор почти не требует тока от источника сигнала, поэтому практически не нужно подавать питание. Коэффициент усиления мощности, обычно достигаемый в усилителе на полевых транзисторах, очень высок.

Определенный тип FET, называемый MOSFET (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника), может иметь входное сопротивление до 10 18 Ом. Из-за их очень высокого входного сопротивления полевые транзисторы мгновенно разрушаются, если они получают даже небольшой статический электрический заряд от неосторожного обращения.Скольжение по пластиковому стулу может передать телу техника достаточно заряда, чтобы разрушить входной диод полевого транзистора при первом касании . С полевыми транзисторами должны обращаться только лица, которые заземлились, прежде чем прикасаться к этим устройствам, чтобы сначала рассеять статические заряды.

Полевые транзисторы

особенно полезны в качестве усилителей очень слабых сигналов, таких как сигналы, создаваемые высококачественными микрофонами. Полевые транзисторы имеют более желательные характеристики перегрузки, чем биполярные транзисторы, поэтому полевые транзисторы могут одновременно обрабатывать множество сигналов, некоторые сильные, а некоторые слабые, без неприятных искажений.До того, как полевые транзисторы были использованы в автомобильных приемниках , эти радиоприемники легко перегружались сильными сигналами; внедрение полевых транзисторов значительно улучшило характеристики автомобильных радиоприемников.


Приложения на полевых транзисторах — Применение на полевых транзисторах — Чоппер, каскод, буферные усилители, мультиплексор

Что такое FET (полевой транзистор)

FET, также называемый униполярным транзистором, представляет собой транзистор, используемый для управления электрическими характеристиками устройства.

FET имеет очень высокое входное сопротивление (100 МОм в случае JFET и от 10 4 до 10 9 МОм в случае MOSFET), основные недостатки обычного транзистора i.е. низкий входной импеданс с последующей нагрузкой источника сигнала устранен в FET. Следовательно, полевой транзистор является идеальным устройством для использования практически во всех приложениях, в которых могут использоваться транзисторы. Полевые транзисторы широко используются в качестве входных усилителей в осциллографах, электронных вольтметрах и другом измерительном и испытательном оборудовании из-за их высокого входного сопротивления.

  • Поскольку микросхема FET занимает очень мало места по сравнению с микросхемой BJT, полевые транзисторы широко используются в ИС.
  • Полевые транзисторы
  • используются в качестве резисторов с переменным напряжением (WR) в операционных усилителях (операционных усилителях), регуляторах тембра и т. Д., Для работы микшера в FM- и ТВ-приемниках, а также в логических схемах.
  • Полевые транзисторы
  • обычно используются в цифровых схемах переключения, хотя их рабочая скорость ниже.

Применение FET

1. Малошумящий усилитель

Шум – это нежелательная помеха, наложенная на полезный сигнал. Шум мешает информации, содержащейся в сигнале; чем больше шума, тем меньше информации. Например, шум в радиоприемниках приобретает треск и шипение, которые иногда полностью маскируют голос или музыку.Точно так же шум в телевизионных приемниках создает на изображении маленькие белые или черные пятна; сильный шум
может стереть изображение. Шум не зависит от уровня сигнала, поскольку он существует даже при выключенном сигнале.

Каждое электронное устройство производит определенное количество шума, но полевой транзистор — это устройство, которое создает очень мало шума. Это особенно важно вблизи входных каскадов приемников и другого электронного оборудования, поскольку последующие каскады усиливают входной шум вместе с сигналом.Если на входе используется полевой транзистор, мы получаем меньше усиленного шума (помехи) на конечном выходе.

2. Буферный усилитель

Буферный усилитель — это ступень усиления, которая изолирует предыдущую ступень от следующей. Исходный повторитель (общий сток) есть. используется в качестве буферного усилителя. Из-за высокого входного импеданса и низкого выходного импеданса полевой транзистор действует как отличный буферный усилитель, как показано на рисунке. Благодаря высокому входному сопротивлению почти все выходное напряжение предыдущего каскада поступает на вход буферного усилителя, а из-за низкого выходного сопротивления все выходное напряжение буферного усилителя поступает на вход следующего каскада, даже при небольшом сопротивление нагрузки.

3. Усилитель Cascode

Принципиальная схема усилителя каскод на полевом транзисторе показана на рисунке. Усилитель с общим истоком управляет в нем усилителем с общим затвором.

Схема каскодного усилителя

Каскодный усилитель имеет такой же коэффициент усиления по напряжению, что и усилитель с общим истоком (CS). Основным преимуществом каскодного соединения является малая входная емкость, которая значительно меньше входной емкости усилителя CS. Он имеет высокое входное сопротивление, что также является желательной характеристикой.

4. Аналоговый переключатель

FET в качестве аналогового переключателя показан на рисунке. Когда на полевой транзистор не подается напряжение затвора, то есть В GS = 0, полевой транзистор становится насыщенным и ведет себя как небольшое сопротивление, обычно со значением менее 100 Ом, и, следовательно, выходное напряжение становится равным

.

V OUT = {R DS / (R D + R DS (ON) )}* V в

JFET-аналоговый переключатель

Поскольку R D очень велико по сравнению с R DS 0N ), то V out можно принять равным нулю.

Когда на затвор подается отрицательное напряжение, равное V GS (OFF) , полевой транзистор работает в области отсечки и действует как очень высокое сопротивление, обычно несколько мегаом. Следовательно, выходное напряжение становится почти равным входному напряжению.

5. Измельчитель

Усилитель с прямой связью можно построить, исключив разделительные и обходные конденсаторы и подключив выход каждого каскада напрямую ко входу следующего каскада. Таким образом, постоянный ток связан, а также переменный ток.Основным недостатком этого метода является возникновение дрейфа, медленное смещение конечного выходного напряжения, создаваемое питающим транзистором, и колебания температуры.

Проблема дрейфа может быть решена с помощью прерывающего усилителя, как показано на рисунке.

Чоппер-усилитель

(а). Здесь входное постоянное напряжение прерывается коммутационной схемой. Выходной сигнал прерывателя представляет собой прямоугольный сигнал переменного тока, пиковое значение которого равно пиковому значению входного постоянного напряжения, V DC . Этот сигнал переменного тока может быть усилен обычным усилителем переменного тока без каких-либо проблем с дрейфом.Затем усиленный выходной сигнал может быть «обнаружен пиковым значением» для восстановления усиленного сигнала постоянного тока.

Прямоугольная волна подается на затвор аналогового переключателя на полевых транзисторах, чтобы заставить его работать как прерыватель, как показано на другом рисунке . Прямоугольная волна затвора колеблется в отрицательном направлении от 0 В до как минимум В GS ( выкл.) — Это попеременно насыщает и отключает JFET. Это выходное напряжение представляет собой прямоугольную волну, меняющуюся от +V DC до нуля вольт попеременно.

Если входной сигнал представляет собой низкочастотный сигнал переменного тока, он преобразуется в сигнал переменного тока, как показано на последнем рисунке (c).Этот срезанный сигнал теперь может быть усилен усилителем переменного тока без дрейфа. Усиленный сигнал затем может быть обнаружен пиковым значением для восстановления исходного входного низкочастотного сигнала переменного тока. Таким образом, как постоянный, так и низкочастотный переменный сигналы могут быть усилены с помощью усилителя с прерывателем.

6. Мультиплексор Мультиплексор на полевых транзисторах

На рисунке показан аналоговый мультиплексор , схема, которая направляет один из входных сигналов на выходную линию. В этой схеме каждый JFET действует как однополюсный однопозиционный переключатель.Когда управляющие сигналы (V v V 2 и V 3 ) более отрицательны, чем V GS(0FF) , все входные сигналы блокируются. Приравняв любое управляющее напряжение к нулю, один из входов можно передать на выход. Например, когда V x равно нулю, полученный на выходе сигнал будет синусоидальным. Аналогично, когда V 2 равно нулю, полученный на выходе сигнал будет треугольным, а когда V 3 равен нулю, выходной сигнал будет прямоугольным.Обычно только один из управляющих сигналов равен нулю.

7. Ограничитель тока

 

 

Схема ограничения тока JFET

показана на рисунке. Таким образом, почти все напряжение питания приходится на нагрузку. Когда ток нагрузки пытается увеличиться до чрезмерного уровня (может быть из-за короткого замыкания или по любой другой причине), чрезмерный ток нагрузки переводит JFET в активную область, где он ограничивает ток до 8 мА.JFET теперь действует как источник тока и предотвращает чрезмерный ток нагрузки.

Производитель может связать затвор с истоком и упаковать JFET в виде устройства с двумя выводами. Вот так изготавливаются диоды постоянного тока . Такие диоды также называют диодами-стабилизаторами тока.

8. Генераторы фазового сдвига Генератор фазового сдвига на полевых транзисторах

JFET может включать в себя действие усиления, а также действие обратной связи. Таким образом, он хорошо действует как генератор фазового сдвига.Высокий входной импеданс полевого транзистора особенно ценен в генераторах с фазовым сдвигом, чтобы минимизировать эффект нагрузки. На рисунке показан типичный генератор с фазовым сдвигом, использующий N-канальный JFET.

Недавний прогресс в области интегральных схем на основе органических полевых транзисторов — Yan — — Journal of Polymer Science

1 ВВЕДЕНИЕ

С тех пор как в 1986 году было сообщено о первом транзисторе на основе органических полупроводников, 1 за последние три десятилетия в органической электронике был достигнут огромный прогресс.Органические полупроводники и устройства обладают такими преимуществами, как структурное разнообразие, 2, 3 низкотемпературная и недорогая обработка, изготовление на больших площадях и гибкость, 4 что делает их дополнительными по отношению к традиционным устройствам на основе кремния и привлекательными для исследователи.

Органические полевые транзисторы (OFET) являются основным строительным блоком органической электроники, а также основным устройством в исследованиях полупроводниковых материалов. Производительность устройства OFET зависит не только от собственных свойств органического полупроводникового материала, но и от других компонентов устройства, таких как интерфейсы полупроводник/диэлектрик 5 , а также контактные интерфейсы. 6-11 После десятилетий развития исследований материалов и процессов изготовления появились сообщения об устройствах OFET с быстро улучшающимися характеристиками, а записи о мобильности носителей обновлялись год за годом 12-21 (рис. 1). Подвижность носителей, превышающая 1 или даже 10 см 2  V −1  с −1 , все чаще сообщается в последние два десятилетия, а это означает, что производительность устройств OFET близка или даже лучше, чем у аморфного кремния. устройства на базе.Это усовершенствование позволяет использовать OFET-устройства в таких приложениях, как схемы драйверов для дисплеев 22 и радиочастотные идентификационные метки. 23, 24

Мобильность носителей устройств OFET в зависимости от года. Некоторые вехи отмечены 25 .

Важность исследования материалов и улучшения характеристик OFET, несомненно, значительна. Действительно, одно устройство OFET может работать независимо или выполнять простые задачи в некоторых приложениях, таких как фотодетектор 26 или датчики давления. 27 Однако для выполнения определенной функции одного OFET-устройства обычно недостаточно. В большинстве случаев для достижения относительно полной функции требуется схема, состоящая из нескольких устройств OFET. Например, в медицинских или носимых приложениях, таких как мониторинг уровня глюкозы 28 , нам нужно не только воспринимать желаемый сигнал, но и обрабатывать его. Обычно часть обработки сигналов по-прежнему изготавливается из устройств на основе кремния. Lai et al. сообщили о носимой системе мониторинга движения запястья, в которой чувствительная часть представляет собой гибкий OFET, изготовленный на подложке из полиэтилентерефталата (PET). 29 Хотя OFET могут воспринимать угол изгиба и отклик как изменение тока, однако считывающее устройство, задачей которого является преобразование, усиление и визуализация токового сигнала от OFET, изготовлено из обычного и имеющегося в продаже кремния. усилители на базе. Эта стратегия несколько ограничивает органические устройства от демонстрации их превосходной гибкости, что еще больше ограничивает диапазон приложений.

Для создания схемы на основе полностью органических полупроводников предстоит решить множество задач.Прежде всего, схемы на основе органических полупроводников сильно страдают от вариаций от устройства к устройству. Возьмем, к примеру, дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель состоит из пары управляющих транзисторов. Чтобы максимизировать эффективность подавления синфазных помех, электрические свойства двух транзисторов должны быть одинаковыми. Как сообщает Sugiyama et al., если нормализованное рассогласование I D достигает 27%, синфазный вход будет усиливаться (усиление напряжения больше 1), что означает, что схема не может для ослабления синфазного входа. 30 При уменьшении рассогласования до 1,5 % наблюдается значение усиления 0,25, что указывает на то, что устранение вариаций устройства может эффективно улучшить характеристики подавления синфазных помех. Во-вторых, разнообразие органических полупроводниковых материалов, которые выбирают для схем, все еще ограничено. Pentacene появлялся преимущественно в отчетах начала 2000-х годов. 31-35 Хотя было разработано большое количество органических полупроводниковых материалов, лишь немногие из них используются в цепях.В-третьих, многие исследования останавливаются на создании инверторов или логических вентилей вместо того, чтобы дать полную и конкретную функциональную демонстрацию, в которой можно полностью показать преимущества органических полупроводников.

В этой статье мы демонстрируем прогресс в области схем на основе органических полупроводников, достигнутый в последние годы. Вначале мы кратко рассмотрим органические полупроводниковые материалы, которые используются в цепях. В зависимости от функции схем материалы, конструкция схемы и стратегии решения вышеупомянутых проблем обычно различаются.Поэтому мы разделим наше обсуждение на два основных раздела: органические цифровые схемы и органические аналоговые схемы. В каждом разделе архитектура схемы и производительность обсуждаются постепенно в зависимости от сложности схемы. Для каждой схемы также упоминается используемый материал и метод обработки. Конечно, мы в основном фокусируемся на функции, которую выполняет схема. В конце статьи обсуждаются испытания построения моделей для проектирования и моделирования органических схем, которые крайне необходимы для будущего проектирования.

2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОФЭЦ

В целом органические полупроводники можно разделить на небольшие молекулы и полимеры. В большинстве случаев малые органические молекулы имеют определенную химическую структуру, что указывает на то, что внутренние свойства, такие как энергии высших занятых молекулярных орбиталей (ВЗМО) и низших незанятых молекулярных орбиталей (НСМО), определены с уверенностью. В отличие от полимеров, органические малые молекулы не должны допускать сложных конформаций и внутри- или межцепочечных взаимодействий, приводящих к энергетическому беспорядку, 36-38 , что придает органическим малым молекулам относительно определенную кристаллическую структуру и параметры решетки.Следовательно, органические малые молекулы могут иметь высокую степень кристалличности. Кроме того, монокристаллы со сверхвысокой чистотой и низкой плотностью ловушек могут быть получены с помощью малых органических молекул, которые повышают подвижность носителей, на величину которой сильно влияют кристалличность, дефекты и ловушки тонкой пленки. 39

С точки зрения методов обработки пленки органических малых молекул можно выращивать путем термического испарения. Как только молекулярная и кристаллическая структура определена, термодинамические свойства материала, такие как температура кипения и давление пара, точно известны и даже могут быть предсказаны. 40, 41 Таким образом, условия обработки можно точно контролировать при испарении органических малых молекул, а скорость роста, а также толщину пленки можно отслеживать и отслеживать в режиме реального времени. Несмотря на проблемы с шероховатостью поверхности и существование полиморфов во время испарения, 42-44 испаряемость дает малым органическим молекулам большие преимущества в оптимизации морфологии и однородности тонкой пленки, тем самым подавляя вариации устройства.

По типу проводимости мы делим органические малые молекулы на p-тип, n-тип и амбиполярные материалы (рис. 2). Обратите внимание, что амбиполярное или n-тип поведения обычно наблюдается только в вакууме или инертной атмосфере, тогда как в окружающей среде эти материалы предпочитают p-тип проводимости. 45 Для небольших молекул р-типа пентацен является одним из наиболее изученных. Для улучшения растворимости пентацена часто используются триизопропил-силилэтинильные (TIPS) группы для добавления к структуре молекулы пентацена, что позволяет обрабатывать ее в растворе. 46 Кроме того, рубрен 12 и фталоцианин меди (CuPc) также часто исследуются в начале 2000-х годов. 47 В последние годы была разработана новая серия органических низкомолекулярных полупроводников p-типа. Некоторые представители включают 2,7-диоктил[1]бензотиено[3,2- b ][1]бензотиофен (C8-BTBT), 48 динафто[2,3- b :2′,3 ′- f ]тиено[3,2- b ]тиофен (DNTT), 49 2,7-дигексил-дитиено[2,3- d ;2′,3′- d ′ ]бензо[1,2- b ;4,5- b ‘]дитиофен (DTBDT-C6), 50 3,11-диоктилдинафто[2,3- d :2′,3′- d ′]бензо[1,2- b :4,5- b ′]дитиофен (C8-DNBDT-NW), 51 и 2,8-дифтор-5,11-бис(триэтилсилилэтинил )антрадитиофен (диФ-ТЭС-АДТ). 52 Общим для этих материалов является то, что все они имеют структуру сплавленного бензола и тиофена. Поскольку тиофеновое кольцо является сильным донором электронов, оно придает молекуле более высокую проводимость р-типа. Путем оптимизации заместителей можно сбалансировать растворимость и подвижность носителей этих материалов до оптимальной точки. Кстати, к этим молекулам до сих пор относится термическое испарение.

Типичные органические полупроводниковые материалы приведены в этой статье.Молекулы (A)-(E) представляют собой малые молекулы p-типа C8-BTBT, DNTT, C8-DNBDT-NW, DTBDT-C6 и diF-TES-ADT соответственно. Молекула (F) представляет собой малую молекулу n-типа TU-3. Молекула (G) представляет собой полупроводниковый полимер p-типа DPP-DTT

.

По сравнению с аналогами p-типа высокоэффективные и высокостабильные органические малые молекулы n-типа встречаются не так часто. Основная причина заключается в том, что энергия НСМО органического полупроводника обычно настолько высока, что инжектированные электроны легко захватываются кислородом и водой в окружающем воздухе, тем самым подавляя перенос электронов. 53, 54 Другая причина заключается в том, что обычно используемые, стабильные на воздухе металлы часто имеют высокие функции выхода, на контактах образуется высокий барьер Шоттки, который не подходит для инжекции электронов. 55 Типичными примерами малых молекул n-типа являются фуллерен (C60) и его производные, 56 карбодиимид нафталина (NTCDI), 57 и фторированный фталоцианин меди (FCuPc). 58 Однако по производительности и стабильности эти материалы по-прежнему трудно догнать материалы p-типа.Из недавних исследований видно, что органические схемы по-прежнему предпочитают использовать архитектуры только p-типа вместо дополнительных. 59 Несмотря на эти трудности, некоторые полупроводники n-типа выделяются, демонстрируя возможность применения в комплементарных схемах. Обладая низкой энергией НСМО 4,3 эВ, хорошей растворимостью и стабильностью на воздухе, 4,8-бис[5-(3-цианофенил)тиофен-2-ил]бензо[1,2- c :4,5- c ′]бис[1,2,5]производное тиадиазола (ТУ-3) является их представителем. 60

Полупроводниковый полимер — еще одна категория органических полупроводниковых материалов. Первый когда-либо созданный органический транзистор был основан на поли(3-гексилтиофене) (P3HT), 61 , который был всего лишь полупроводниковым полимером. В отличие от органических малых молекул, которые имеют определенную молекулярную и кристаллическую структуру, полупроводниковый полимер может иметь разную степень полимеризации, разную молекулярную массу и разную структуру упаковки из-за различий в путях синтеза и условиях осаждения тонких пленок.В общем, трудно получить монокристалл в тонких пленках полупроводниковых полимеров, и метод термического испарения, который широко применяется при осаждении пленок органических малых молекул, больше не может быть использован в полимерах. Перенос заряда в полупроводниковых полимерах сильно зависит от выравнивания цепи и состояний агрегации в тонкой пленке, которые необходимо рассматривать в масштабах нескольких длин. Следует отметить, что в последние годы углубляется понимание кристаллических структур сопряженных полимеров. 62 Кроме того, был достигнут отрадный прогресс в улучшении структурной точности и однородности последовательности полимеров, 63, 64 , что придает полимерам более контролируемые электронные свойства и лучший перенос заряда. Сеферос и его коллеги разработали несколько стратегий полимеризации и сборки для получения сопряженных полимеров с контролируемой молекулярной массой и низкой дисперсностью, что важно для снижения структурного и энергетического беспорядка и улучшения переноса заряда в объемных или тонких пленках. 65-67

Однако полупроводниковые полимеры обладают отличной способностью к модификации. Регулируя алкильные боковые цепи 18 и конъюгирующие звенья в основной цепи 68, 69 , можно настроить растворимость, молекулярную упаковку и перенос заряда. С другой стороны, обработка раствором также может производить тонкие пленки высокого качества и однородности, что позволяет использовать полупроводниковые полимеры в строительных схемах. Кроме того, некоторые полупроводниковые полимеры обладают присущей им способностью к растяжению, которую можно дополнительно улучшить с помощью инженерии боковой цепи, что делает их перспективными в растягиваемых и носимых устройствах. 70

Полупроводниковый полимер — это большое семейство. Полимер на основе дикетопирролопиррола (ДПП) является одним из наиболее изученных направлений. Путем соединения с донорными фрагментами, такими как дитиенилтиено[3,2-b]тиофен (DTT), с образованием донорно-акцепторной (DA) структуры, полимеры на основе DPP могут демонстрировать высокую подвижность носителя, а также стабильность и технологичность в растворе. 71 Путем введения полимера на основе ДПП в полимерный эластомер, такой как полистирол-блок-поли(этилен-ранбутилен)-блок-полистирол (СЭБС), мы можем регулировать механические свойства полупроводникового слоя, в частности улучшая способность к растяжению. 72 Недавно были разработаны некоторые коммерчески доступные полупроводниковые полимеры с хорошими характеристиками и возможностью обработки в растворе. Например, Lisicon® SP500 73 может проявлять подвижность до 2 см 2 В -1 с -1 .

3 ОРГАНИЧЕСКИЕ ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ

Цифровые схемы могут обрабатывать цифровые сигналы. По принципу работы цифровые схемы можно разделить на комбинационные и последовательные.В комбинационной схеме выходы схемы определяются только текущими входами. При условии, что входы известны, тогда определяются выходы. К комбинационным схемам относятся инверторы, логические элементы, кодеры, дешифраторы и т. д.

Инвертор может инвертировать входной сигнал с «низкого» на «высокий» и наоборот. Базовая структура комплементарного инвертора или монотипного инвертора на основе OFET состоит из двух последовательно соединенных транзисторов. 74 На практике функции инвертора выходят за рамки этого.Шиваку и др. сообщили о схеме на основе инвертора, которая может усиливать сигнал, поступающий от датчика ионов калия (K + ) 75 (рис. 3). OFET изготавливаются на гибкой подложке из полиэтиленнафталата (PEN). Полупроводниковый слой наносится путем дозирования, а раствор представляет собой смесь DTBDT-C6 и полистирола (PS). При смешивании с полистиролом и оптимизации компонентов изменение порогового напряжения может составлять всего 0,03   В. 76 Это значение является одним из самых низких, зарегистрированных в системах печати.Схема состоит из двух инверторов с псевдо-CMOS конструкцией, в которой используется только полупроводник p-типа. Первый инвертор используется для обеспечения стабильного опорного потенциала, что достигается путем соединения входа и выхода вместе. Второй — усилить изменение потенциала, регистрируемое датчиком K + . Вводя отрицательную обратную связь, можно контролировать и стабилизировать усиление с обратной связью, увеличивая чувствительность K + с 34 до 160 мВ/дек.

Схема на инверторе для усиления сигнала датчика К + . (A) и (B) фотография и изображение схемы в оптическом микроскопе. (C) Принципиальная схема всей системы. (D) и (E) входное и выходное напряжение усилителя. (F) Коэффициент усиления по напряжению усилителя. Воспроизведено с разрешения. 75 Copyright 2018, Springer Nature

Подобно инверторам, логические элементы, такие как NAND и NOR, также выполняют логические операции.По сравнению с инверторами, имеющими только один вход, логические элементы обрабатывают два или более входных сигнала. Таким образом, затраты транзистора, необходимые для логического элемента, будут выше, чем для базового инвертора. Например, комплементарный вентиль И-НЕ имеет два входа и требует четырех транзисторов. С увеличением количества транзисторов требуется более высокий уровень интеграции. Ю и др. разработали процесс соединения, адаптирующийся к трехмерной интеграции. 77 В отличие от обычного осаждения диэлектрика на основе раствора и субтрактивных методов соединения, основанных на травлении, таких как лазерное сверление и струйная сольвентная печать, диэлектрический слой наносился только в тех местах, где необходимы изолированные металлические электроды.Соединение происходит в бездиэлектрической области. Для реализации вышеупомянутого процесса в качестве диэлектрической пленки использовали поли(1,3,5-триметил-1,3,5-тривинилциклотрисилоксан) (PV3D3), осажденную с помощью процесса инициированного химического осаждения из паровой фазы (iCVD). Используя термически испаряемый PTCDI-C13 в качестве полупроводника n-типа и DNTT в качестве полупроводника p-типа, были изготовлены вертикально расположенные OFET, трехмерные инверторные схемы и логические элементы. Коэффициент усиления инвертора достигает 35 В/В, а поскольку устройства OFET могут состоять из пяти слоев, логические элементы, такие как NAND и NOR, которые состоят из четырех OFET, могут быть интегрированы на единичной площади.Растяжимость — одно из величайших преимуществ устройств и схем на основе органических полупроводников. Для создания рисунка на растяжимой полимерной пленке необходимо разработать новые методы обработки вместо процессов фотолитографии. Ван и др. продемонстрировали инвертор и вентиль И-НЕ, основанные на их транзисторах с внутренней способностью растягиваться. 78 Полупроводниковая пленка, получившая название «сопряженная эластичность, вызванная разделением фаз полимера/эластомера» (CONPHINE), была сформирована в процессе травления с помощью медной маски и полимерного расходуемого слоя.Транзисторы показывают выход 94,4% и высокую однородность. Инвертор имеет 4-транзисторную псевдо-CMOS-схему, а вентиль И-НЕ состоит из 6 транзисторов. Оба работают исправно даже при 100% нагрузке. На основе изначально растягиваемой платформы устройства они также изготовили растягиваемые усилители для усиления сигнала человеческого пульса. Аналоговая часть будет рассмотрена в следующем разделе.

Делая еще один шаг вперед, соединив вместе несколько логических элементов, можно построить полный сумматор.Полный сумматор — это не только один из простейших вычислительных блоков, но и один из основных строительных блоков более сложных арифметических схем. Квон и др. продемонстрировали основанный на струйной печати метод трехмерного стекирования и изготовили 1-битный полный сумматор, состоящий из девяти логических элементов И-НЕ 79 (рис. 4). В общей сложности девять функциональных слоев расположены вертикально друг над другом, а два OFET, в том числе PFET с нижним затвором и NFET с верхним затвором, объединены вместе. Два OFET имеют один и тот же шлюз, что упрощает обработку и соединение.Полный сумматор работал при напряжении питания 20 В и может выдавать правильный логический уровень в зависимости от входных сигналов и сигнала переноса. После 8 месяцев хранения на воздухе 3D-устройства по-прежнему работают нормально, демонстрируя превосходную долговременную стабильность. Примечательно, что плотность интеграции достигала 0,41 транзистора на мм 90 407 2 90 408 , что было одним из самых высоких значений среди органических схем, напечатанных струйным способом.

(A) Оптическое микроскопическое изображение полных сумматоров с 9 вентилями И-НЕ и (В) с одним вентилем И-НЕ.(C) Схема ворот И-НЕ. (D) Выходные характеристики ворот И-НЕ. (E) Входные и выходные сигналы полного сумматора. Воспроизведено с разрешения. 79 Copyright 2016, Американское химическое общество

Обычно широко используемые цифровые схемы основаны на двоичной логике, также известной как логическая логика, что означает, что они обычно имеют два логических уровня, а именно «0» и «1». Напротив, многозначная логика содержит более двух различимых логических состояний.Например, троичная логическая схема может выводить три логических уровня, то есть «0», «1/2» и «1». Поскольку троичная логика может обеспечить более высокую плотность информации, в последние годы она привлекает все большее внимание исследователей. Для реализации троичной логики одним из вариантов могут быть устройства, включающие туннельные диоды и антиамбиполярные транзисторы (AAT), которые могут работать в области отрицательного дифференциального сопротивления (NDR). 80, 81 Кобаши и др. построили троичный инвертор, соединив органический AAT с OFET n-типа. 82 В AAT гетеропереход p-n был сформирован путем частичного перекрытия слоя p-типа α -6 T и слоя PTCDI-C8 n-типа (рис. 5). В отличие от типичных OFET, передаточные характеристики AAT показывают область уменьшения и две области увеличения, когда напряжение на затворе увеличивается в зависимости от состояния включения/выключения каналов p-типа и n-типа. Подобное NDR поведение AAT делает возможной многозначную логику. В результате кривая передачи напряжения троичного инвертора имеет три логических состояния, в которых все три значения напряжения различны.Тройной инвертор может работать при напряжении питания всего 10 В после замены диэлектрического слоя SiO 2 на слой high-k Al 2 O 3 . Кроме того, регулируя длину канала AAT, можно управлять точками перехода, что позволяет точно проектировать логические схемы. Однако выходное напряжение не может покрыть весь диапазон между VDD и GND. Чтобы решить эту проблему, Ю и др. разработали новую архитектуру AAT, в которой канал DNTT p-типа существует непрерывно от истока до стока, придавая устройству AAT высокую проводимость p-типа при включении, позволяя логическому состоянию «1» достигать VDD. сохраняя при этом регион NDR. 83 Обратите внимание, что полупроводник n-типа — PTCDI-C13. Несмотря на то, что у В в диапазон логики «1/2» определяется не столь четко (6 при 50 В VDD), коэффициенты усиления инвертора для двух переходов достигают 13 и 20 В/В. , соответственно. По сравнению с традиционным ААТ новое устройство имеет более высокую рабочую частоту благодаря более высокому току включения. Впервые тестируется переходная характеристика троичного инвертора на входные импульсы. По сравнению с дополнительным инвертором логическое состояние «1/2» четко определено, а выходной уровень очень близок к VDD/2.

(A) Схема и (B) принципиальная схема органического тройного инвертора, включая AAT и OFET. (C) Передаточные кривые AAT (синяя линия) и OFET (красная линия). (D) Кривые передачи напряжения органического тройного инвертора. Воспроизведено с разрешения. 82 Copyright 2018, Американское химическое общество

Выполняя конечно-элементное моделирование, Ким и др. пытаются раскрыть основы троичной логики на основе AAT. 84 В режиме I ток в основном возникает за счет диффузии дырок, а электронный ток незначителен. Следовательно, AAT является проводящим, и задается логика «1». В режиме II токи обеих несущих относительно сбалансированы, а AAT и n-OFET являются проводящими, что дает логику «1/2». В режиме III p-канал истощается, пока n-OFET все еще включен, таким образом выдавая логику «0». Путем сопоставления плотности тока и горизонтального электрического поля вдоль направления исток-сток исследуется поведение носителей и выявляется причина, по которой логический уровень «1/2» остается стабильным.В режиме II максимальная плотность дырочного и электронного тока увеличивается одновременно и почти одинаково с увеличением V в , поэтому поддерживается стабильное выходное напряжение. Кроме того, исследовано влияние подвижности неосновных носителей и смещения зон двух полупроводников на тройное соотношение, и даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию схемы и выбору материала.

Органическая троичная логика может не только управляться архитектурой устройства и смещением затвора, но также настраиваться видимым или УФ-светом, поскольку органические полупроводники обычно обладают способностью поглощать свет в диапазоне от УФ до видимого диапазона.Основываясь на устройствах AAT, Паниграхи и др. отмечают, что уровни логического состояния и их соотношение можно контролировать при облучении светом. 85 Поскольку способность к фотоотклику у двух полупроводников различна, то сдвиг порогового напряжения и усиление тока у α -6 T p-типа больше, чем у PTCDI-C8 n-типа. , изменение характеристик антиамбиполярного переноса ААТ под действием УФ и видимого света в основном происходит в контролируемом диапазоне α -6 Тл.Используя преимущества оптически настраиваемых антиамбиполярных характеристик, изготавливается оптически управляемый троичный инвертор. При облучении видимым светом состояние «1» уменьшается на 12,5 В, в то время как УФ-свет может сдвигать состояние «1/2» вниз на 7,4 В. Кроме того, за счет регулировки интенсивности света можно изменить соотношение логических уровней и соотношение ширины между «1». Состояние /2» и состояние «1» можно оптимизировать. При 62 мВт см −2 видимого света отношение выходного уровня достигает 0,38 (в идеале должно быть 0.5).

В дополнение к AAT амбиполярные OFET также могут использоваться для изготовления многозначных логических устройств. Чон и др. соединили два амбиполярных OFET друг с другом, создав устройство NDR, демонстрирующее двойные пики NDR. 86 Два полупроводниковых полимера, поли(4-([2,2′-бисселенофен]-5-ил)-2,7-бис(2-октилдодецил)-3a1,5a1-дигидробензо[lmn][3,8 ]фенантролин-1,3,6,8(2H,7H)-тетраон) [P(NDI2OD-Se2)] и поли(3-([2,2′:5′,2″-тертиофен]-5-ил )-2,5-бис(2-децилтетрадецил)-6-(тиофен-2-ил)-2,5-дигидропирроло[3,4-c]пиррол-1,4-дион) [P(DPP2DT-T2) ], оба являются амбиполярными материалами, только в первом преобладает n-тип, а во втором преобладает p-тип.Регулируя соотношение PMMA:P(VDF-TrFE), действующего как диэлектрический слой, можно изменить легирование с переносом заряда, и появится характеристика переноса NDR с двойным пиком. Когда нагрузочный резистор подключается последовательно к устройству NDR, получается троичная логическая схема-защелка. Когда значение входного напряжения установлено равным напряжению считывания, выходное напряжение может поддерживаться в любом логическом состоянии (0, 1/2 или 1). Установив входное напряжение на одно из напряжений записи, а затем вернувшись к напряжению чтения, можно установить выходное напряжение в определенное состояние.Обратите внимание, что уровнями логического состояния можно управлять, изменяя соотношение PMMA:P(VDF-TrFE) двух OFET.

В отличие от комбинационных схем, последовательная схема имеет запоминающую часть, а это означает, что выходы зависят не только от текущих входов, но и от исторического состояния схемы. Для управления сохраненным сигналом требуется тактовый сигнал в виде импульса напряжения. Одним из эффективных способов получения такого импульса напряжения является использование кольцевого генератора, состоящего из нечетного числа инверторов.Используя принцип положительной обратной связи, автоколебание может быть реализовано в кольцевом генераторе, а частота колебаний, которая является одним из ключевых параметров, которые нас интересуют, м -ступенчатого кольцевого генератора может быть рассчитана по формуле . 87, 88 f=12mτd, где τd — задержка распространения на ступень. Кондо и др. построили осциллятор на органическом кольце, используя OFET на основе DNTT с термическим испарением. 89 Для повышения кристалличности слоя DNTT путем нанесения покрытия на лезвие вводится высокоупорядоченный модифицирующий слой триптицена.Пленка ДНТТ на лопаточно-покрытых слоях триптицена имеет лучшую кристаллическую целостность и меньшую неупорядоченность, чем на испаренных, неупорядоченных слоях триптицена, увеличивая подвижность на 40%, а также частоту колебаний от до 41,4 кГц, которая является самой высокой среди всех органические генераторы, работающие на 5 В.

Помимо генерирования импульсов напряжения, кольцевые генераторы также могут реагировать на внешние сигналы. Ким и др. сконструировали органический искусственный афферентный нерв, в котором несколько кольцевых генераторов использовались для сбора и реагирования на изменения напряжения, действующие в качестве напряжения питания кольцевых генераторов, от датчиков давления, а выходные сигналы отправлялись на синаптический транзистор (рис. 6). 90 Полупроводниковый слой представляет собой термически испаряемый пентацен, где изолирующий слой SU-8 имеет фотошаблон для разделения полупроводниковых пленок между транзисторами. Напряжение питания и частота кольцевого генератора находятся во взаимно однозначной зависимости, что позволяет рассчитать величину давления. Диапазон обнаружения давления составляет от 1 до 80 кПа. Обратите внимание, что частота кольцевого осциллятора находится в диапазоне от 0 до 100 Гц, что соответствует частоте биологических потенциалов действия.Помимо определения давления, искусственный афферентный нерв также может быть соединен с эфферентным нервом для создания гибридной рефлекторной дуги для управления мышцами.

(A) Схема искусственного афферентного нерва с органическим кольцевым генератором, подключенным между датчиками давления и синаптическим транзистором. (B) Напряжение питания кольцевого генератора и (C, D) частоты колебаний в зависимости от давления. Воспроизведено с разрешения. 89 Copyright 2018, Американская ассоциация развития науки

Как и в случае с неорганическими аналогами, уровень интеграции и плотность устройств также являются важными целями, которые преследуют органические кольцевые генераторы.Квон и др. улучшили свою предыдущую работу 79 и разработали метод трехмерной интеграции для органических транзисторов. 91 Базовые OFET используют конфигурацию с двумя затворами. Путем вертикального размещения еще одного поверх первого транзистора были интегрированы гибкие двухтранзисторные (2-T) и трехтранзисторные (3-T) гибкие устройства. Благодаря конфигурации с двумя затворами, обеспечивающей полностью обедненный объем полупроводника, перенос заряда контролируется более эффективно, а однородность и согласованность устройства высоки.Для цепей инвертора и кольцевого генератора реализовано дополнительное устройство 2-T, использующее TU-3 в качестве полупроводника n-типа и DTBDT-C6 в качестве полупроводника p-типа. При напряжении питания 5 В рабочая частота кольцевого генератора составляет 48,5 Гц. Используя структуру стека 3-T вместо обычных 4-транзисторных, логический элемент И-НЕ, который является более компактным по площади. Чтобы еще больше продемонстрировать уровень интеграции, создается программируемый массив NAND, включающий несколько логических функций.Плотность транзисторов достигала рекордных 60 транзисторов на квадратный сантиметр. Это значение означает, что можно изготовить 4-битный микропроцессор на месте размером с кредитную карту.

4 ОРГАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГОВЫЕ ЦЕПИ

Аналоговая схема предназначена для обработки аналоговых сигналов, а усилитель — самая простая аналоговая схема. Одним из ключевых параметров усилителя является коэффициент усиления, определяемый как отношение выхода к входу. В зависимости от формы входа и выхода размер усиления может быть сопротивлением, проводимостью или безразмерным.Другие параметры, такие как полоса пропускания и произведение усиления на ширину полосы пропускания (GBWP) и отношение сигнал-шум (SNR), также важны для оценки производительности усилителя.

В зависимости от структуры и сложности существует несколько категорий усилителей. Чтобы начать с нуля, однокаскадный усилитель является основой. Цзян и др. построили однокаскадный усилитель с общим истоком для мониторинга сигналов электроокулограммы (ЭОГ) человеческих глаз. 92 Для минимизации энергопотребления схемы в качестве строительного блока была выбрана пара OTFT с барьером Шоттки (SB-OTFT), работающих в подпороговом режиме.Полупроводниковый слой был напечатан методом струйной печати C8-BTBT, а серебро использовалось для формирования контакта Шоттки. Чтобы уменьшить вариации устройства и получить наилучшие параметры устройства, плотность дефектов была сведена к минимуму с помощью больших полупроводниковых кристаллов и гладкой, свободно болтающейся поверхности раздела между полупроводником и диэлектриком, обеспечиваемой напечатанным поливинилциннаматом (ПВХ). Кроме того, поскольку SB-OTFT работает в подпороговом режиме, принцип работы SB-OTFT обеспечивает независимую от длины канала ВАХ, что дополнительно обеспечивает единообразие устройств.Благодаря сверхкрутому подпороговому наклону ( SS ) и близкому к нулю пороговому напряжению эффективность усиления сигнала достигает 38,2 S A −1 , что означает высокий коэффициент усиления и малую мощность. После усиления амплитуда сигналов ЭОГ увеличивается с менее чем 1 мВ до 0,3 В, при этом потребляемая мощность составляет всего 1 нВт, а отношение сигнал-шум более 60 дБ позволяет усилителю улавливать тонкие движения глаз.

Чтобы улучшить коэффициент усиления по напряжению однокаскадного усилителя, мы можем заменить один транзистор многотранзисторной структурой, а именно составным усилителем.Секин и др. продемонстрировали гибкий печатный датчик давления, в котором схема усилителя использовала соединение Дарлингтона, то есть сток первого транзистора был соединен с затвором второго. 93 Схема усилителя может усиливать сигнал, полученный от датчика давления, с коэффициентом усиления 10, увеличенным с 2. Обратите внимание, что датчик давления изготовлен из поли(винилиденфторида- co -трифторэтилена) [P(VDF- TrFE)], сегнетоэлектрический полимер. Путем смешивания полупроводниковых чернил DTBDT-C6 с PS можно контролировать подвижность и пороговое напряжение печатных OFET.Печатный датчик работает при напряжении питания 3 В, демонстрируя хорошую чувствительность к давлению 10 кПа. Прикрепив датчики к коже шеи и запястья, можно регистрировать артериальные волны, при этом скорость пульсовой волны человека достигает 9 м с −1 .

Шум присутствует во всех цепях. Усилитель может усиливать полезный сигнал вместе с шумом, что затрудняет различение полезного сигнала и шума, особенно когда полезный сигнал слабый, например физиологические сигналы от человеческого организма, который не желает видеть.Поэтому дифференциальные усилители применяются для подавления шума и любой нестабильности работы, вызванной сдвигами параметров устройства. Как правило, дифференциальный усилитель имеет пару входов для обработки двух входных сигналов с одинаковой амплитудой, но инвертированных по фазе. Входные сигналы усиливаются соответственно парой идеально симметричных усилителей. Конечным результатом является разница между двумя выходными клеммами. Поскольку шумовые сигналы двух входов обычно одинаковы по амплитуде и фазе, эта часть (называемая синфазным шумом) исчезнет на выходе.Наир и др. изготовили гибкий дифференциальный усилитель, используя подложку из полиэтиленнафталата (PEN) размером 3 дюйма. 94 Полупроводниковый слой представляет собой термически испаренный пентацен, а контактные электроды изготовлены из обрабатываемого в растворе проводящего полимера на основе полистиролсульфоновой кислоты (PANi-PSS) с новым методом отрыва. Усилитель показывает усиление 10 дБ на максимальной частоте 1 кГц. По принципу работы дифференциальные усилители требуют сверхвысокой однородности устройства, так как любое несоответствие между парой транзисторов приводит к снижению эффективности шумоподавления.Чтобы решить эту проблему, Сугияма и др. сообщили о гибком органическом дифференциальном усилителе с невероятной однородностью устройств. 30 OFET изготовлены с использованием испаренного DNTT в качестве полупроводникового слоя. Чтобы компенсировать несоответствие устройств, несколько изолированных транзисторов изготавливаются параллельно в качестве резерва (рис. 7). После проверки работоспособности всех транзисторов подбираются и включаются в схемы только те, у которых минимальное несоответствие. Несоответствие нагрузки и транзисторов привода уменьшено до 1.1% и 1,5% соответственно. Усилитель обеспечивает коэффициент ослабления синфазного сигнала менее 0,24 (-12 дБ) на частотах от 0,1 до 1000 Гц. Сигналы электрокардиограммы человека отслеживаются с помощью этого усилителя, где форма волны полностью записывается, а отношение сигнал/шум достигает 34 дБ.

(A) Схема OFET и тонкопленочного конденсатора. (B) Изображение под микроскопом гибкого органического дифференциального усилителя. (C) Схема, (D) иллюстрация и (E) микроскопические изображения стратегии компенсации несоответствия.Воспроизведено с разрешения. 30 Copyright 2019, Springer Nature

Для выполнения конкретных конструктивных требований усилители могут иметь различные топологии нагрузки. Например, нагрузка с нулевым VGS может обеспечить высокий коэффициент усиления, но будет страдать от рассогласования порогового напряжения, в то время как диодная нагрузка не так чувствительна к рассогласованию, но дает относительно низкий коэффициент усиления. Seifaei и др. разработали дифференциальный усилитель и несимметричный усилитель с автоматическим смещением, используя тонкопленочные углеродные резисторы (TFCR) в качестве нагрузки. 95 OFET представляют собой p-канальные транзисторы с использованием напыленного DNTT в качестве полупроводникового слоя, а нагрузки представляют собой напыленные углеродные слои толщиной 30 нм. Благодаря такой конструкции резко снижаются вызванная временем деградация устройства, а также чувствительность к свету. По сравнению с диодными нагрузками паразитная емкость TFCR может быть сведена к минимуму, а рассогласование из-за изменения транзистора может быть устранено. Кроме того, в конфигурации с дифференциальным усилителем, поскольку TFCR имеют меньшее покрытие, чем OFET, пара TFCR может быть установлена ​​как можно ближе, чтобы уменьшить несоответствие до уровня менее 5%.Дифференциальный усилитель демонстрирует коэффициент усиления 23,1 дБ с GBWP 2,4 кГц при потребляемой мощности 7 мкВт, что дает лучшее значение GBWP по мощности на сегодняшний день. Благодаря неизменности TFCR во времени после 7 месяцев хранения ток падает всего на 7,9%, демонстрируя превосходную устойчивость к старению.

Поскольку требования к характеристикам схем усилителя возрастают, однокаскадный или дифференциальный усилитель трудно удовлетворить всем из них, включая высокое входное сопротивление, высокий коэффициент усиления, низкое выходное сопротивление и способность обработки сигнала.Поэтому для удовлетворения требований разрабатываются операционные усилители, состоящие из нескольких каскадов и функциональных модулей. Мацуи и др. сообщили о схеме органического операционного усилителя, работающей при напряжении питания 5 В (рис. 8). 96 Путем введения полупроводника n-типа ТУ-3 в схеме достигаются комплементарные усилители. Полупроводник p-типа печатается diF-TES-ADT. Поскольку транзисторы n-типа имеют худший подпороговый наклон и коэффициент модуляции длины канала, чем транзисторы p-типа, для изготовления транзисторов n-типа применяется двухзатворная структура.Схема операционного усилителя имеет двухкаскадную структуру, состоящую из токового зеркала (M1-M3), дифференциального входного каскада (M4-M7) и каскада усиления (M8). Благодаря такой конструкции схема может обеспечить как высокий коэффициент усиления, так и высокую способность подавления шума. Схема обеспечивает максимальное усиление 60 (36 дБ) при 0,1 Гц и GBWP 50 Гц. Эти значения являются самыми высокими среди всех усилителей, работающих при напряжении питания 5 В на сегодняшний день. Чтобы продемонстрировать мощную способность обработки сигнала, органический операционный усилитель подключается к различным пассивным компонентам — резисторам и конденсаторам — для формирования различных контуров обратной связи.Построением интегратора, дифференциатора, преобразователя тока в напряжение и треугольного генератора в полной мере проявляется многофункциональность органического операционного усилителя.

(A) Схема устройств OFET p-типа и n-типа. (B) Принципиальная схема и (C) микроскопические изображения органического операционного усилителя. (D-G) Схемы обработки сигналов с использованием органических операционных усилителей. Воспроизведено с разрешения. 96 Copyright 2018, Springer Nature

Для правильной работы усилителя требуется подходящий источник смещения.Токовое зеркало, которое воспроизводит и распределяет токи по каждому каскаду схемы, предназначено для предоставления такой услуги. Чжан и др. разработали токовое зеркало, используя общую структуру затвора для параллельного соединения транзисторов. 97 OTFT изготавливаются с использованием метода рулонной обработки, при котором диэлектрический слой — диакрилат трипропиленгликоля (TPGDA) — мгновенно напыляется на подложку PEN, закрепленную на быстровращающемся рулонном устройстве для нанесения покрытия. Полупроводниковый слой представляет собой напыленный ДНТТ.Как и в работе Сугиямы, 30 , единообразие свойств транзисторов поддерживается за счет резервирования, при котором изготавливаются 54 транзистора и только 21 выбирается для построения схемы. Настраивая отношение ширины/длины зеркального транзистора, можно регулировать коэффициент передачи тока. В дополнение к реализации усиления напряжения усилитель может выполнять различные функции в зависимости от конфигурации. Трансимпедансный усилитель, на входе которого ток, а на выходе напряжение, можно рассматривать как преобразователь тока в напряжение.Используя токовое зеркало в качестве источника тока, Чжан и др. изготовили трансимпедансный усилитель, в котором было получено усиление 1,1 МОм. При подключении трансимпедансной цепи к датчику pH обнаруживается линейная зависимость между выходным напряжением и pH и успешно подтверждается способность различать разные значения pH. Эта работа показывает потенциал системы для мониторинга человеческого пота и выявления возможных заболеваний. В отличие от трансимпедансного усилителя, если на вход подается напряжение, а на выход подается ток, мы называем схему транскондуктивным усилителем.Аша и др. построили операционный усилитель на крутизне, используя пентацен в качестве полупроводникового слоя. 98 Усилитель демонстрирует коэффициент усиления 42 дБ на частоте 195 Гц, что может применяться в биосенсорах.

В дополнение к усилению сигнала аналоговые схемы могут выполнять множество функций, таких как обработка сигналов, генерация, фильтрация и выпрямление. Ли и др. разработали удвоитель частоты, который может удвоить частоту входного сигнала. 99 Обычно традиционный удвоитель частоты реализуется путем ввода двух сигналов в умножитель с последующей фильтрацией постоянной составляющей.Однако в этой работе использовался один транзистор для реализации удвоения частоты без помощи фильтрующих элементов. Путем формирования гетероперехода между аморфным оксидом индия-галлия-цинка n-типа (a-IGZO) и DNTT p-типа или C8-BTBT изготавливаются амбиполярные транзисторы с V-образными передаточными кривыми. Используя преимущества V-образной передаточной характеристики, при подаче входного сигнала переменного тока, пересекающего точку минимальной проводимости, на электрод затвора, четко получается умножение частоты в выходном сигнале от электрода стока.Когда входная частота установлена ​​на 1 кГц, 70 % выходной энергии приходится на компонент 2 кГц, что подразумевает высокую спектральную чистоту.

Цепь выпрямления может преобразовывать сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока, который играет роль в подаче постоянного напряжения на всю систему. Для построения выпрямителя необходимо ввести устройство с однонаправленной проводимостью. Это может быть достигнуто с помощью диода или OFET с диодным включением, в котором затвор соединен с электродом стока. Ямамура и др.разработал выпрямитель на основе OFET с диодной связью, используя C8-DNBDT-NW в качестве полупроводникового материала. 100 С помощью однократного процесса растворения, управляемого мениском, формируется монокристаллическая пленка C8-DNBDT-NW. Количество слоев регулируется за счет регулирования температуры процесса, скорости сдвига и концентрации раствора. Благодаря сверхмалой толщине пленки и высокой кристалличности устройство OFET демонстрирует низкое контактное сопротивление и высокую подвижность, что обеспечивает высокую скорость работы.Двухслойный (2 L) выпрямитель на основе OFET демонстрирует максимальную частоту выпрямления до 29 МГц, что превышает частоту, используемую в приложениях радиочастотной идентификации (RFID) (13,56 МГц). Высокоскоростная производительность открывает двери для органических полупроводников, чтобы реализовать больше функций, которые когда-то считались монополизированными неорганическими полупроводниками.

Для полной реализации определенных функций интегрированная система обычно представляет собой смесь цифровых и аналоговых частей.Кондо и др. продемонстрировали полностью гибкую матрицу магнитных датчиков, позволяющую осуществлять двухмерный мониторинг распределения магнитного поля 101 (рис. 9). Система состоит из 5 блоков. В дополнение к массиву магниторезистивных датчиков и его коммутирующим OFET, цифровому блоку, бутстрапному регистру сдвига и двум аналоговым блокам, токовому зеркалу и усилителю с общим истоком, вся система составляет всю систему. Сдвиговый регистр начальной загрузки должен обеспечивать состояние включения для переключающих оптических транзисторов. Чтобы защитить влияние изменений устройства, принята стратегия проектирования схемы, в которой используется конденсатор для хранения и повышения потенциала IN.OFET всегда перегружены, и работа регистра стабильна. Сдвиговый регистр может работать на частоте до 100 Гц при напряжении питания ниже 4 В. Усилители с общим истоком используют нагрузку с нулевой VGS и демонстрируют коэффициент усиления 87,5 при смещении 3 В. Поскольку необработанные сигналы от магнитного датчика слишком малы (примерно 100 мВ) для определения наличия и положения магнитного поля, усиление сигнала важно для различения и визуализации магнитного поля. Обратите внимание, что вся система интегрирована на одной и той же сверхгибкой платформе, а именно на париленовом листе размером 50 × 50 мм 2 .OFET относятся только к p-типу и используют испаренный DNTT в качестве полупроводникового слоя, который работает лучше, чем дополнительные OFET, о которых сообщалось до сих пор.

(A) и (B) Схема интегрированной системы магнитных датчиков. (C) Фотография интегрированной магнитной сенсорной системы, изготовленной на париленовой подложке толщиной 1,5 мкм. (D) Схема поперечного сечения структуры устройства. Воспроизведено с разрешения. 101 Copyright 2020, Американская ассоциация развития науки

По сравнению со случаями с малыми молекулами поверхность раздела между полупроводниковым полимером и диэлектриком требует более тщательного рассмотрения, чтобы избежать точечных отверстий или дефектов.Квон и др. изготовили органический дифференциальный усилитель, состоящий из четырех OFET на основе DPP-DTT. 102 В транзисторах используется инновационный метод «анодного оксида алюминия на островах затвора» (AOI) для формирования диэлектрических слоев анодного оксида алюминия одновременно на нескольких затворах. Используя съемное соединение, электроды затвора могут быть анодированы одновременно с помощью заземляющего слоя алюминия. После обработки октадецилтрихлорсиланом (OTS) слой DPP-DTT формируется путем дозирования.Дифференциальный усилитель работает при напряжении питания 3 В, демонстрируя коэффициент усиления по напряжению 2 (6 дБ). Это значение значительно ниже, чем у низкомолекулярных аналогов, что свидетельствует о серьезной асимметрии устройства в усилителях на полимерной основе. Очевидно, что от отдельного устройства до схем полимерным OFET еще предстоит пройти долгий путь. Что касается растягиваемых усилителей, Ван и др., как упоминалось выше в разделе о цифровых схемах, также построили усилитель, добавив резистор в качестве контура обратной связи. 78 Усилитель демонстрирует коэффициент усиления по напряжению 4,7 (13 дБ) при подаче синусоидального сигнала с частотой 1 Гц. Усиление может поддерживать 100-процентную нагрузку, при этом коэффициент усиления немного снижается до 3,2 (10 дБ). Комбинируя усилитель с датчиком пульса, достигается мониторинг и обработка импульсных сигналов на коже, что демонстрирует потенциал в приложениях для прилипания к коже человека.

Несмотря на то, что внутренне растяжимые схемы могут поддерживать свою производительность в некоторой степени под нагрузкой, они по-прежнему не желают видеть, что происходит значительное изменение производительности.Ван и др. разработали процесс создания локальной области механической неоднородности для активной области. 103 После изготовления OFET наносится трафаретная печать из жесткого раствора SEBS (h2043), при этом формируется так называемый эластичный слой для каждого транзистора, а подложка изготавливается из мягкого SEBS (h2221). Используя псевдо-КМОП-конфигурацию, изготавливаются кольцевой генератор и усилитель. При 100% деформации изменение частоты колебаний составляет менее 3%. В случае усилителей как псевдо-Е, так и псевдо-D конфигурации могут поддерживать коэффициент усиления по напряжению при 100% нагрузке, а именно, 4.5 (13 дБ) для усилителя псевдо-E и 25 (28 дБ) для усилителя псевдо-D. Прикрепив псевдо-D-усилитель к бицепсу человека, можно усилить сигнал электромиографии человека и выделить его из фонового шума.

В случае несимметричных усилителей требования к однородности устройства ниже, чем для дифференциальных усилителей. Шарбонно и др. построили однотактный усилитель, используя метод глубокой печати. 73 Одним из самых больших преимуществ глубокой печати является возможность обработки больших площадей.Сообщенное подразделение Гравировальной печати может печатать на площади до 320 × 380 мм 2 , сохраняя относительно высокое разрешение. Размер паттерна может составлять до 75 × 75 мкм 2 . С помощью высокомерности коммерческого полупроводникового полимера SP500 от Lisicon® усилитель проявляет усиление постоянного тока 15,3 (23,7 дБ) и ширина полосы 3 дБ 24,5 Гц. Обратите внимание, что в этом исследовании была построена модель OFET, что является полезной попыткой навести мост между исследователями OFET и разработчиками схем.Модель может быть интегрирована в набор инструментов проектирования, а схемы могут быть спроектированы и смоделированы с использованием языка аппаратного проектирования. Результаты моделирования приветствуются больше, чем просто повышение производительности схем.

5 МОДЕЛИ И МОДЕЛИ ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Чтобы построить схему со значительной сложностью и предсказуемой производительностью, необходимо точное моделирование на уровне устройства и точное моделирование на уровне схемы.За последние десятилетия моделирование устройств на основе кремния достигло чрезвычайно высокой точности благодаря развитию технологий обработки и более глубокому пониманию физики устройств. Благодаря мощным инструментам моделирования и симуляции интегральные схемы на основе кремния коренным образом изменили мир. Однако моделирование OFET по-прежнему затруднено по разным причинам. В зависимости от различий в органических полупроводниковых материалах, методах обработки и архитектуре устройств механизмы переноса заряда и поведение устройств обычно различаются, некоторые из которых даже не полностью изучены.Несмотря на то, что были предприняты некоторые попытки построить модели для OFET, разработчики схем неохотно принимают эти модели из-за отсутствия точности и универсальности.

При моделировании OFET возникают три основные проблемы, 104 первая из которых – моделирование порогового напряжения и подпорогового тока. Fan и др. попытались описать поведение OFET в подпороговом режиме и продемонстрировать непрерывность перехода от выключенного состояния к надпороговому режиму. 105 В этой модели подпороговый ток разделяется на два режима в соответствии с различием носителей, доминирующих в переносе заряда, т.е. околопороговый режим и глубоко-подпороговый режим.Для описания влияния локализованных глубоких состояний и затворного поля на подвижность носителей в модели вычисляются два параметра из экспериментальных данных. Для рассмотрения подпорогового колебания, зависящего от напряжения затвора, и перехода между двумя режимами используется больше параметров, чтобы соответствовать экспериментальным данным. Кроме того, модель также вводит параметры, соответствующие переходу между режимом насыщения и линейным режимом. При включении в симулятор Hspice модель может давать результаты подгонки, хорошо совпадающие с экспериментальными характеристиками передачи напряжения схемы инвертора на основе OFET.

Второй и третьей задачей является моделирование подвижности носителей и контактного сопротивления, которые в OFET обычно зависят от напряжения затвора. 106 Юнг и др. предложили модель для ступенчатых OFET, в которых контактное сопротивление и подвижность зависят от напряжения затвора по степенному закону. 107 В этой модели контактное сопротивление состоит из двух частей: части, индуцированной контактной инжекцией, которая не зависит от затвора, и части, зависящей от затвора, отражающей прыжковый транспортный механизм через гауссово распределение DOS.Для проверки модели был изготовлен OFET на основе пентацена, в котором подвижность и контактное сопротивление измерялись методом линий передачи (TLM). Измеренные значения хорошо совпали с результатами моделирования. В сочетании с двухмерным численным моделированием было подтверждено, что перенос вносит больший вклад в контактное сопротивление, чем закачка.

В большинстве моделей контактное сопротивление часто рассматривается как просто «сопротивление». Однако всегда следует учитывать неомический контакт, вызывающий нелинейное контактное сопротивление.Валлетта и др. разработали компактную модель spice для OFET, в которую были включены неомические контактные эффекты и смоделированы как диоды Шоттки. 108 Диоды Шоттки имеются как в истоке, так и в стоке, но только один из них одновременно смещен в обратном направлении и будет учитываться в модели. Падение потенциала на диоде, включенном последовательно с транзистором, повлияет на работу транзистора. Все параметры, используемые в модели, определяются путем решения уравнения равенства между током транзистора и током диода с помощью схемотехнического моделирования.После поведенческой реализации в spice модель использовалась для проектирования и моделирования инвертора и схемы кольцевого генератора. После этого также была проведена экспериментальная проверка. К сожалению, экспериментальные результаты основаны на дискретных устройствах, а не на интегрированных конструкциях, что требует дальнейшего изучения.

6 ПРОГНОЗ

Мы рассмотрели недавний прогресс в области органических схем, начиная от цифровых схем, таких как логические элементы, и заканчивая аналоговыми схемами, такими как усилители.Большой прогресс был достигнут в таких характеристиках, как частота колебаний, коэффициент усиления по напряжению, GBWP и потребляемая мощность. Мы рады видеть, что масштабы и глубина исследований органических схем растут, как и прогресс, достигнутый в производительности схем. Мы видим, что используется больше органических полупроводниковых материалов; исследуются дополнительные параметры схемы; строятся более сложные схемные структуры; продемонстрирована многофункциональная системная интеграция. Для повышения однородности устройств разработано множество различных методов.Различные методы обработки выбираются для различных целей, от крупномасштабного производства до высокой степени интеграции.

Следует признать, что органические схемы все еще сталкиваются с массой проблем. Во-первых, несмотря на то, что многие модели OFET были созданы для имитации поведения устройств и схем, их универсальная применимость к широкому диапазону материалов и процессов все еще нуждается в улучшении, что ограничивает их приемлемость для разработчиков схем. Эта проблема в основном возникает из-за отсутствия точной и универсальной модели переноса заряда, охватывающей широкий спектр органических полупроводников.К счастью, понимание переноса заряда и разработка физических моделей продолжаются, и были разработаны некоторые модели со значительной точностью и универсальностью, что, как полагают, полезно для улучшения моделирования устройств и схем. 109

Во-вторых, изменение устройства и, как следствие, несоответствие цепей требует фундаментального решения. В отличие от проведения исследований в лаборатории, реальное применение органических интегральных схем требует единообразия и стабильности от устройства к устройству, от партии к партии, что выдвигает более высокие требования к синтезу материалов, очистке и стандартизации процессов.

В-третьих, помимо следования примеру электроники на основе кремния, проектирование органических схем должно быть ориентировано на новейшие приложения, такие как искусственный интеллект, нейронные сети, Интернет вещей, где преимущества схем на основе OFET, в том числе низкая стоимость, гибкость, масштабируемость и биосовместимость могут быть использованы в полной мере.

Чтобы преобразовать проблемы в возможности, мы предлагаем основные цели для схем на основе OFET.Во-первых, необходимо создать и стандартизировать библиотеки устройств OFET, правила проектирования и инструменты моделирования. Поскольку органические полупроводники представляют собой довольно большое семейство, а обработка устройств очень разнообразна, эта цель требует совместной работы материаловедов и инженеров-электронщиков. Во-вторых, в тех областях, где OFET могут проявить свои сильные стороны, таких как определение биосигналов и гибкая электроника, полностью органические системы демонстрируют привлекательные преимущества. Чтобы заменить неорганические детали в будущих устройствах органическими материалами и устройствами, требуется высокий уровень интеграции и точно оптимизированная методология проектирования схем.В-третьих, фундаментальные исследования, включая оптимизацию производительности и улучшение стабильности материалов и обработки устройств, всегда должны быть в приоритете. Например, еще есть возможности для улучшения в разработке точно синтезированных полупроводниковых полимеров и обработке полупроводниковых тонких пленок. Мы считаем, что в будущем интегральные схемы на основе OFET будут иметь более высокую производительность, более высокий уровень интеграции и более широкое применение.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа выполнена при финансовой поддержке Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (№.2018YFA0703200), Национальный фонд естественных наук Китая (грант № 618, 511) и Шанхайский фонд естественных наук (19ZR1404400).

    Биографии

    • Юнкун Ян — докторант кафедры материаловедения Фуданьского университета, Китай. Он получил степень бакалавра наук в Фуданьском университете в 2014 году и степень магистра наук. Получил степень в Техническом университете Дрездена в 2017 году. Его исследовательские интересы — органические полевые транзисторы и органические схемы, обработанные раствором.

    • Ян Чжао получил степень бакалавра наук. степень по химии Шаньдунского университета в 2008 году и степень доктора физической химии Института химии Китайской академии наук (CAS) в 2014 году. В настоящее время он является доцентом кафедры материаловедения Университета Фудань. Его исследования сосредоточены на обработке органических/полимерных полупроводников для полевых транзисторов, органических схем и органических датчиков.

    • Юньци Лю окончила в 1975 году химический факультет Нанкинского университета и получила докторскую степень в Токийском технологическом институте, Япония, в 1991 году.В настоящее время он профессор Института химии CAS. Он также является профессором кафедры материаловедения Университета Фудань. Его исследовательские интересы включают молекулярные материалы и устройства.

    В этой обзорной статье не создавались и не анализировались данные.

    ССЫЛКИ