PCB Design & Analysis

Seit dem Tag, an dem mich meine Mutter mit dem ersten Heimcomputer zu Weihnachten überraschte, gut, Sagen wir einfach vor langer Zeit, Ich war fasziniert von der Technologie. Sowieso, damals, Ich war der Neid jedes Kollegen Geek, Nerd, und Lehrer an meiner Schule. Da war ich mit einer beeindruckenden 64, warten Sie, Kilobyte rohe Rechenleistung.

Nun, schneller Vorlauf bis zum heutigen Tag, und mein Laptop nutzt 100.000 mal diese Menge an RAM allein. Man kann also mit Sicherheit sagen, dass sich die Computertechnologie weiterentwickelt hat. Allerdings gibt es eine Sache, die nicht hat, und das ist die Wettbewerbsfähigkeit der Computerhersteller.

Es gibt Zeiten, in denen es bei der Auswahl eines Geräts oder einer Methode um ein Bedürfnis oder eine Funktion geht. Darüber hinaus ist die Notwendigkeit einer bestimmten Funktionalität die vorherrschende treibende Kraft bei der Auswahl eines Geräts oder Prozesses im Bereich der Elektronik.

Was ist Diodenvorspannung oder Vorspannung?

Bevor wir die beiden Arten von Bias vergleichen, werde ich zunächst ihre individuellen Eigenschaften besprechen. In der Elektronik definieren wir Bias oder Biasing als eine Methode zum Festlegen eines Satzes von Strömen oder Spannungen an verschiedenen Punkten einer elektronischen Schaltung, um geeignete Betriebsbedingungen innerhalb einer elektronischen Komponente herzustellen. Obwohl dies eine vereinfachte Version der Antwort ist, ist sie immer noch grundsätzlich korrekt. Darüber hinaus befinden sich bei Vorspannung die beiden Arten der Vorspannung, Vorwärtsvorspannung und Rückwärtsvorspannung.

Wie Sie sicher wissen, funktioniert eine Diode (PN-Übergang) wie eine Einbahnstraße, da sie den Stromfluss in die eine Richtung leichter ermöglicht als in die andere. Zusammenfassend leitet eine Diode typischerweise Strom in eine Richtung, und die Spannung, die sie anlegen, folgt einer beschriebenen Durchlassorientierung. Wenn sich die Spannung jedoch in umgekehrter Richtung bewegt, bezeichnen wir diese Ausrichtung als umgekehrte Vorspannung. Wenn eine Standard-PN-Übergangsdiode in umgekehrter Vorspannung ist, hemmt oder blockiert sie normalerweise den Stromfluss, fast wie eine elektronische Version eines Rückschlagventils.

Vorwärtsvorspannung vs. Rückwärtsvorspannung

In einer Standarddiode tritt Vorwärtsvorspannung auf, wenn die Spannung über einer Diode den natürlichen Stromfluss zulässt, während Rückwärtsvorspannung eine Spannung über der Diode in der entgegengesetzten Richtung bezeichnet.

Die Spannung, die während der Sperrvorspannung an einer Diode anliegt, erzeugt jedoch keinen signifikanten Stromfluss. Darüber hinaus ist diese besondere Eigenschaft vorteilhaft für die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC).

Es gibt eine Vielzahl anderer Verwendungen für diese Eigenschaft, einschließlich der elektronischen Signalsteuerung.

Zenerdiode Platzierung Wissen kann ein Design machen oder brechen.

Der Betrieb einer Diode

Zuvor habe ich eine vereinfachte Erklärung des Standarddiodenbetriebs gegeben. Der detaillierte Prozess einer Diode kann etwas schwierig zu verstehen sein, da es ein Verständnis der Quantenmechanik beinhaltet. Der Diodenbetrieb betrifft den Fluss negativer Ladungen (Elektronen) und positiver Ladungen (Löcher). Technologisch bezeichnen wir eine Halbleiterdiode als pn-Übergang. PN-Übergänge sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs einer Photovoltaikzelle.

Im Allgemeinen erfordert der ordnungsgemäße Betrieb einer Diode ein anderes wesentliches Element oder einen Prozess, der als Dotierung bezeichnet wird. Sie können einen Halbleiter mit Materialien dotieren, um einen Überschuss an leicht verdrängten Elektronen zu ermöglichen, die wir als n-Typ oder negative Region bezeichnen. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Halbleiter zu dotieren, um einen Überschuss an Löchern zu fördern, um diese Elektronen ebenfalls leicht zu absorbieren, und wir bezeichnen dies als p-Typ oder positive Region. Darüber hinaus werden die positiven und negativen Bereiche der Diode auch als Anode (P) und Kathode (N) bezeichnet.

Insgesamt sind es die Abweichungen zwischen den beiden Materialien und ihre anschließende Synergie über extrem kurze Distanzen (< Millimeter), die den Betrieb der Diode erleichtern. Diese Funktionalität ist jedoch natürlich nur möglich, wenn wir die beiden Arten (P, N) von Materialien zusammenführen. Auch die Verschmelzung dieser beiden Arten von Materialien bildet, was wir einen p-n-Übergang nennen. Darüber hinaus wird der Bereich, der zwischen den beiden Elementen existiert, als Verarmungsregion bezeichnet.

Hinweis: Beachten Sie, dass eine Diode für eine ordnungsgemäße Funktionalität eine minimale Schwellenspannung benötigt, um den Verarmungsbereich zu überwinden. Darüber hinaus beträgt die minimale Schwellenspannung in den meisten Fällen für Dioden ungefähr 0,7 Volt. Außerdem erzeugt die Sperrspannung eine kleine Menge Strom durch die Diode, und sie wird als Leckstrom bezeichnet, ist jedoch typischerweise vernachlässigbar. Wenn Sie schließlich eine signifikante Sperrspannung anlegen, führt dies zu einem umfassenden elektronischen Ausfall der Diode, wodurch der Strom in die entgegengesetzte Richtung durch die Diode fließen kann.

Diodenfunktionalität und Betrieb fortgesetzt

Wenn Diffusion die nachfolgende Bewegung von Elektronen aus dem n-Typ-Bereich erleichtert, beginnen sie im Allgemeinen, die Löcher innerhalb des p-Typ-Bereichs zu füllen. Das Ergebnis dieser Aktion bildet negative Ionen innerhalb der p-Typ-Region und hinterlässt somit positive Ionen in der n-Typ-Region. Insgesamt liegt die Steuerung dieser Aktion in der Richtung des elektrischen Feldes. Wie Sie sich vorstellen können, führt dies zu einem vorteilhaften elektrischen Verhalten, das natürlich davon abhängt, wie Sie die Spannung anlegen, dh Vorspannung.

Darüber hinaus gibt es in Bezug auf eine Standard-PN-Übergangsdiode drei Vorspannbedingungen und zwei Betriebsbereiche. Die drei möglichen Arten von Vorspannbedingungen sind wie folgt:

• Vorwärtsvorspannung: Diese Vorspannungsbedingung beinhaltet das Anschließen eines positiven Spannungspotentials an das Material vom P-Typ und eines negativen an das Material vom N-Typ über die Diode, wodurch die Breite der Diode verringert wird.

• Umgekehrte Vorspannung: Im Gegensatz dazu beinhaltet diese Vorspannbedingung die Verbindung eines negativen Spannungspotentials mit dem P-Material und eines positiven mit dem N-Material über die Diode, wodurch die Breite der Diode erhöht wird.

• Zero Bias: Dies ist ein Bias-Zustand, bei dem kein externes Spannungspotential an die Diode angelegt wird.

Vorwärtsvorspannung versus Rückwärtsvorspannung und deren Varianzen

Eine Rückwärtsvorspannung verstärkt die Potentialbarriere und behindert den Fluss von Ladungsträgern. Im Gegensatz dazu schwächt eine Vorwärtsvorspannung die Potentialbarriere, wodurch der Strom leichter über den Übergang fließen kann.

Während der Vorwärtsvorspannung verbinden wir den positiven Anschluss der Spannungsversorgung mit der Anode und den negativen Anschluss mit der Kathode. Im Gegensatz dazu verbinden wir in umgekehrter Vorspannung den positiven Anschluss der Spannungsversorgung mit der Kathode und den negativen Anschluss mit der Anode.

• Eine Vorwärtsvorspannung verringert die Stärke der Potentialbarriere des elektrischen Feldes über dem Potential, während eine Rückwärtsvorspannung die Potentialbarriere verstärkt.

• Eine Vorwärtsvorspannung hat eine Anodenspannung, die größer ist als die Kathodenspannung. Im Gegensatz dazu hat eine umgekehrte Vorspannung eine Kathodenspannung, die größer ist als die Anodenspannung.

• Eine Vorwärtsvorspannung hat einen erheblichen Vorwärtsstrom, während eine Rückwärtsvorspannung einen minimalen Vorwärtsstrom hat.

• Die Verarmungsschicht einer Diode ist im Durchlass wesentlich dünner und im Rückwärtsgang viel dicker.

• Die Vorwärtsvorspannung verringert den Widerstand einer Diode und die Rückwärtsvorspannung erhöht den Widerstand einer Diode.

• Der Strom fließt mühelos während der Vorwärtsvorspannung, aber die Rückwärtsvorspannung lässt keinen Strom durch die Diode fließen.

• Die Höhe des Stroms hängt von der Durchlassspannung ab, während in der Durchlassvorspannung die Strommenge jedoch in der Rückwärtsvorspannung minimal oder vernachlässigbar ist.

• Bei Vorwärtsvorspannung fungiert ein Gerät als Leiter und bei Rückwärtsvorspannung als Isolator.

Die Planung Ihrer Schaltung basierend auf Bias-Potentialen ist das Kennzeichen einer intelligenten Analyse.

Die Fähigkeit einer Diode, als zwei getrennte, aber gleich wirksame Bauelemente zu funktionieren, macht sie zu einer wirklich adaptiven Komponente. Die Auswirkungen der Vorspannung auf die Funktionalität einer Diode bieten eine optimale Kontrolle darüber, welche Funktion eine Diode in Ihrem Schaltungsdesign spielt. Die Verwendung von Vorwärts- und Rückwärtsvorspannung gibt einem Schaltungsdesigner eine optimale Kontrolle über die Funktionalität einer Diode.

Dank der Cadence-Suite von Design- und Analysetools können Sie sicher sein, dass Ihre Designer und Produktionsteams zusammenarbeiten, um die Verwendung von Vorwärts- und Rückwärtsvorspannungstechniken in all Ihren Leiterplattendesigns zu implementieren. Allegro PCB Designer ist die Layout-Lösung, nach der Sie gesucht haben, und es kann zweifellos die Implementierung von Vorwärts- oder Rückwärts-Biasing-Designstrategien in Ihre aktuellen und zukünftigen PCB-Designs erleichtern.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Cadence die Lösung für Sie hat, sprechen Sie mit unserem Expertenteam und uns.

Über den Autor

Cadence PCB Solutions ist ein komplettes Front-to-Back-Design-Tool für eine schnelle und effiziente Produktentwicklung. Cadence ermöglicht es Benutzern, die Konstruktionszyklen durch den modernen Industriestandard IPC-2581 genau zu verkürzen, um sie an die Fertigung zu übergeben.

Folgen Sie auf Linkedin Website besuchen Weitere Inhalte von Cadence PCB Solutions