З предмета «Електроніка, мікроелектроніка і 2 страница

Використання спеціальних технологічних прийомів (головним чином легування германію і кремнію золотом) дозволило понизити час перемикання і створити швидкодіючі імпульсні напівпровідникові діоди, використовувані головним чином в слабкострумових сигнальних ланцюгах ЕОМ. Використання спеціальних технологічних прийомів (головним чином легування германію і кремнію золотом) позволило понизити час перемикання і створити швидкодіючі імпульсні напівпровідникові діоди, використовувані головним чином в слабкострумових сигнальних ланцюгах ЕОМ.

При невисокій пробивній напрузі зазвичай розвивається не тепловий, а оборотний лавинний пробій p – n переходу — різке наростання струму при майже незмінній напрузі, називається напругою стабілізації Ucт. На використанні такого пробою заснована робота напівпровідникових стабілітронів. Стабілітрони загального призначення з Ucт від 3—5 В до 100—150 В застосовують головним чином в стабілізаторах і обмежувачах постійної і імпульсної напруги; прецизійні стабілітрони, у яких вбудовуванням компенсуючих елементів досягається виключно висока температурна стабільність використовуються як джерела еталонної і опорної напруги.

У передпробійній області зворотний струм діода схильний до дуже значних флуктуацій; це властивість p – n переходу використовують для створення генераторів шуму. Інерційність розвитку лавинного пробою в p – n переході обумовлює зрушення фаз між струмом і напругою в діоді, викликаючи (при відповідній схемі включення його в електричний ланцюг) генерування СВЧ коливань. Цю властивість успішно використовують в лавинно-пролітних напівпровідникових діодах, що дозволяють здійснювати генератори з частотами до 150 Ггц.

При подачі на p – n переход зворотного зсуву, Uзв, що не перевищує, він поводиться як високодобротний конденсатор, у якого ємкість Св залежить від величини прикладеної напруги. Цю властивість використовують у варикапах, вживаних переважно для електронної перебудови резонансної частоти коливальних контурів, в параметричних напівпровідникових діодах, службовцях для посилення СВЧ коливань, у варакторах і множильних діодах, службовців для множення частоти коливань в діапазоні СВЧ. У цих напівпровідникових діодах, прагнуть зменшити величину опору Rб (основне джерело активних втрат енергії) і підсилити залежність ємкості Св від напруги Uзв.

У p – n переходу на основі дуже низькоомного (виродженого) напівпровідника область, збіднена носіями заряду, виявляється дуже тонкою і для неї стає істотним тунельний механізм переходу електронів і дірок через потенційний бар'єр. На цій властивості заснована робота тунельного діода, вживаного в надшвидкодіючих імпульсних пристроях (наприклад, мультивібраторах, тригерах), в підсилювачах і генераторах коливань СВЧ, а також оберненого діода, вживаного як детектор слабких сигналів і змішувача СВЧ коливань. Їх ВАХ істотно відрізняються від ВАХ інших напівпровідникових діодів, як наявністю ділянки з «негативною провідністю», яскраво вираженою у тунельного діода, так і високою провідністю при нульовій напрузі.

До напівпровідникових діодів відносять також напівпровідникові (ПП) прилади з двома виводами, що мають некеровану чотиришарову p, – n - p – n структуру і називають динисторами (тиристор), а також прилади, що використовують об'ємний ефект доменної нестійкості в ПП структурах без p, – n переходу — діоди Ганна. У напівпровідникових діодах, використовують і ін. різновиду ПП структур: контакт метал — напівпровідник (діод Шотки) і p – i – n структуру, характеристики яких багато в чому схожі з характеристиками p – n переходу. Властивість p – i – n структури змінювати свої електричні характеристики під дією випромінювання використовують, зокрема, у фотодіодах і детекторах ядерних випромінювань, влаштованих таким чином, що фотони або ядерні частинки можуть поглинатися в активній області кристала, що безпосередньо примикає до p, – n переходу, і змінювати величину зворотного струму останнього. Ефект випромінювальної рекомбінації електронів і дірок, що виявляється в свіченні деяких p – n переходів при протіканні через них прямого струму, використовується в світловипромінювальних діодах. До напівпровідникових діодів, можуть бути віднесені також і напівпровідникові лазери.

Більшість напівпровідникових діодів виготовляють, використовуючи планарно-епітаксіальну технологію, яка дозволяє одночасно отримувати до декількох тисяч напівпровідникових діодів. Як напівпровідникові матеріали для напівпровідникових діодів, застосовують головним чином Si, а також Ge, GaAs, GAP і ін., як контактні матеріали — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для захисту кристала напівпровідникового діода, його зазвичай поміщають в метало-скляний, метало-керамічний, скляний або пластмасовий корпус.

Від своїх електровакуумних аналогів, наприклад кенотрона, газорозрядного стабілітрона, індикатора газорозрядного напівпровідниковий діод відрізняється значно великою надійністю і довговічністю, меншими габаритами, кращими технічними характеристиками, меншою вартістю і тому витіснив їх в більшості областей застосування.

З розвитком напівпровідникової електроніки здійснився перехід до виробництва разом з дискретними напівпровідниковими діодами діодних структур в монолітних напівпровідникових інтегральних схемах і функціональних пристроях, де напівпровідниковий діод, неотделим від всієї конструкції пристрою.

Хід роботи

Зібрати схему для зняття ВАХ випрямного діода при прямому і зворотному зсуві p – n переходу.

Рисунок 2.1 – Схема для зняття ВАХ діода при зворотному зсуві p – n переходу

Результати вимірювань занести в таблиці

Таблиця 2.1 – ВАХ діода при прямому зсуві p – n переходу

Епит, В
Uпр, В
Iпр, мА

Таблиця 2.2 – ВАХ діода при зворотному зсуві p – n переходу

Епит, В
Uобр, В
Iобр, мА

За даними таблиць побудувати ВАХ діода і визначити опір діода при прямому і зворотному зсуві p – n переходу.

Зібрати схему для зняття ВАХ стабілітрона при прямому і зворотному зсуві p – n переходу аналогічно схемі на малюнку 2. Результати вимірювань занести в таблиці аналогічні таблицям 2.1 і 2.2.

За даними таблиць побудувати ВАХ стабілітрона і визначити диференціальний опір.

Зробити виводи по проведеній роботі.

3. Лабораторна робота №3 «Дослідження властивостей біполярного транзистора»

Мета роботи: вивчити властивості і схеми включення біполярного транзистора, зняти і проаналізувати вхідні і вихідні характеристики транзистора включеного по схемі із загальним емітером (ОЕ).

Теоретичні відомості

Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, що містить два p-n переходу, і є тришаровою напівпровідниковою структурою, створеною в одному кристалі шляхом введення акцепторної або донорної домішки. Залежно від електропровідності початкового напівпровідника розрізняють p-n-p і n-p-n транзистори (рис 3.1). Одна з крайніх областей транзистора (наприклад, ліва) називається емітером, а прилеглий до неї p-n перехід j1 - емітерним. Права область називається колектором, а прилеглий до неї p-n перехід j2 - колекторним. Центральна область, звана базою, має значно меншу в порівнянні з емітером і колектором концентрацію домішкових атомів.

Рис. 3.1 - Схематична будова і напрямок струмів транзистора: а - p-n-p типа; б - n-p-n типа

Транзистор — прилад оборотний, тобто емітер і колектор можна міняти місцями. Проте властивості транзистора при прямому (нормальному) і зворотному (інверсному) включенні різні, оскільки області емітера і колектора відрізняються розмірами і електрофізичними властивостями. Полярності напруги на електродах транзистора, відповідні нормальному включенню, показані на рис 3.1. При інверсному включенні полярність напруги на електродах транзистора протилежна.

Розрізняють чотири види статичних ВАХ транзистора:

· вихідні

· керівники (характеристики прямої передачі)

· вхідні

· перехідні (характеристики зворотної передачі)

з яких тільки дві є незалежними. Зазвичай використовують вихідні і вхідні ВАХ транзистора, з яких лише дві є незалежними.

Транзистор включається в електричний ланцюг таким чином, що один з його електродів є вхідним, другий - вихідним, а третій - загальним щодо входу і виходу. Залежно від цього розрізняють три способи включення транзисторів (рис 3.2): із загальною базою (ЗБ), із загальним емітером (ЗЕ) і із загальним колектором (ЗК). При будь-якому способі включення в ланцюг вхідного електроду включають джерело вхідного сигналу, а в ланцюг вихідного електроду - навантаження.

Рисунок 3.2 - Схеми включення транзисторів: а - із загальною базою (ЗБ); - із загальним емітером (ЗЕ); у - із загальним колектором (ЗК)

У режимі малого сигналу транзистор можна представити як активний лінійний чотириполюсник, основні властивості якого відповідають загальній теорії електричних ланцюгів. При цьому транзистор вважається лінійним підсилювальним елементом.

Зв'язок між вхідними (U1, I1) і вихідними (U2, I2) змінними чотириполюсника можна описати шістьма системами рівнянь першого порядку. Найширше застосовується система рівнянь, в якій незалежними величинами є вхідний струм I1 і вихідна напруга U2:

(3.1)

Якщо при малих змінах незалежних величин приросту залежних величин розкласти в ряд Тейлора і нехтувати членами другого і вищих порядків, то рівняння (3.1) можна представити в наступному вигляді:

DU₁ = ;

DI₂ = (3.2)

При заміні приростів амплітудними значеннями струмів і напруги і введенні нових позначень для приватних похідних система рівнянні (3.2) перетвориться до наступної форми:

; (3.3)

Характеристичні коефіцієнти h при незалежних змінних у системі рівнянь (3.3) мають певний фізичний зміст:

h₁₁ = - вхідний опір у режимі малого сигналу при короткому замиканні на виході чотириполюсника;

h₁₂ = - коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі в режимі малого сигналу при холостому ході на вході чотириполюсника; h₂₁ = - коефіцієнт передачі струму в режимі малого сигналу при коpотком замиканні на виході чотириполюсника;

h₂₂ = - вихідна провідність у режимі малого сигналу при холостому ході на вході чотириполюсника.

Система рівнянь (3.3) зветься системи h-параметрів. Іноді в літературі її називають гібридною системою, тому що незалежними змінними є струм і напруга. Достоїнством системи h-параметрів є порівняльна простота безпосереднього виміру характеристичних коефіцієнтів h. У паспортних даних транзисторів звичайно приводять значення h-параметрів, обмірюваних на частоті 1 кГц.

Хід роботи

1. Зібрати схему для зняття вхідних і вихідних характеристик транзистора, що наведена на малюнку 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема включення транзистора з ЗЕ

2. Зняти вхідні характеристики транзистора. Результати занести в таблицю 3.1.

Таблиця 3.1

Uкэ, В	Вхідні параметри	Еб, В
0.5	1.0	1.5	2.0	2.5	5.0
	Uбэ, мВ
Iб, мкА
	Uбэ, мВ
Iб, мкА

Вхідна характеристика включеного за схемою з ЗЕ це залежність струму бази від напруги на переході база - емітер при постійній напрузі на переході колектор - емітер.

3. Зняти вихідні характеристики транзистора. Результати занести в таблицю 3.2. Вихідна характеристика транзистора включеного за схемою з ЗЕ це залежність струму колектора від напруги на переході колектор - емітер при постійному струмі бази.

Таблиця 3.2

Еб, В	Iб, мкА	Ек = Uкэ, В
0.1	0.5	1.0	5.0
Iк, мА

4. За результатами таблиць побудувати характеристики й визначити H - параметри транзистора.

5. Зробити виводи по проведеній роботі.

4. Лабораторна робота №4 «Дослідження схем пристроїв на операційних підсилювачах»

Мета роботи: вивчити схеми пристроїв на операційних підсилювачах (ОП), їхні параметри й характеристики.

Теоретичні відомості

Входи ОП позначають (+) і (-), і працюють вони в такий спосіб: вихідний сигнал змінюється в позитивному напрямку, коли потенціал на вході (+) стає більше позитивним, чим потенціал на вході (-), і навпаки. Символи (+) і (-) не означають, що на одному вході потенціал завжди повинен бути більше позитивним, чим на іншому; ці символи просто вказують на відносну зміну фази вихідного сигналу (це важливо, якщо в схемі використовується негативна ОС). Щоб уникнути плутанини краще називати входи «інвертуючий» і «неінвертуючий», а не вхід «плюс» і вхід «мінус». На схемах часто не показують підключення джерел живлення до ОП й вивід, призначений для заземлення. Операційні підсилювачі мають дуже більший коефіцієнт підсилення по напрузі й ніколи не використовуються без зворотного зв'язку. Можна сказати, що операційні підсилювачі створені для роботи зі зворотним зв'язком. Коефіцієнт підсилення схеми без зворотного зв'язку так великий, що при наявності замкнутої петлі ОС, характеристики підсилювача практично залежать тільки від схеми зворотного зв'язку.

Познайомимося з найважливішими правилами, які визначають поводження операційного підсилювача, охопленого петлею зворотного зв'язку. Вони справедливі майже для всіх випадків застосування ОП.

По-перше, операційний підсилювач має такий більший коефіцієнт підсилення по напрузі, що зміна напруги між входами на трохи часток мілівольта викликає зміну вихідної напруги в межах його повного діапазону, тому не будемо розглядати цю невелику напругу, а сформулюємо правило 1:

1. Негативний зворотний зв'язок операційного підсилювача прагне до того, щоб різниця напруг між його входами дорівнювала нулю.

По-друге, операційний підсилювач споживає дуже невеликий вхідний струм (для ОП на біполярних транзисторах I_вх» 0,08 мкА, для ОП із входами на польових транзисторах - порядку пикоампер); не вдаючись у подробиці, сформулюємо правило 2:

2. Входи операційного підсилювача струм не споживають.

Тут необхідно дати пояснення: правило 1 не означає, що операційний підсилювач дійсно змінює напругу на своїх входах. Це неможливо, тому що це було б несумісне із правилом 2. Операційний підсилювач «оцінює» стан входів і за допомогою зовнішньої схеми ОС передає напругу з виходу на вхід, так що в результаті різниця напруг між входами стає рівної нулю (якщо це можливо).

Ці правила створюють достатню основу для розгляду безлічі практичних схем на операційних підсилювачах.

Хід роботи

1. Визначити опір R1 на інверсному вході ОП, якщо опір зворотного зв'язку Rос = 1 МОм і коефіцієнт підсилення Кu = - 50 (інвертуючий ОП). Визначити коефіцієнт підсилення для що не інвертує ОП при цих же параметрах схеми. Визначити напруга на виході що інвертує й не інвертує ОП якщо напруга на вході Uвх = 100 мВ. Зібрати схеми що інвертує й не інвертує ОП в EWB і зрівняти розрахункові й досвідчені параметри.

2. Визначити напругу на виході суматора з масштабним коефіцієнтом множення (рис 4.1) при наступних параметрах: Uвх1=0,1В, Uвх2 = 0,3 В, Uвх3 = - 0,4 В, R1= 100 кОм, R2= 50 кОм, R3= 200 кОм, Rос=1МОм. Зібрати схему в EWB і зрівняти розрахункові й досвідчені параметри.

Рисунок 4.1– Суматор з масштабним коефіцієнтом множення

3. Зібрати схему інтегратора (рис 4.2). Замалювати осцилограми напруги на вході й виході інтегратора. Зробити виводи по проведеній роботі.

Рисунок 4.2 – Інтегратор на ОП і лицьова панель функціонального генератора

4. Зібрати схему диференціатора (рис 4.3). Замалювати осцилограми напруги на вході й виході диференціатора й напруги на конденсаторі. Зробити виводи по проведеній роботі.

Рисунок 4.3 - Диференціатор на ОП й лицьова панель функціонального генератора

5. Лабораторна робота №5 «Дослідження пристроїв електронного ланцюга імпульсної дії»

Мета роботи: вивчити роботу транзистора в ключовому режимі, його характеристики й схеми побудовані на транзисторних ключах.

Теоретичні відомості

Транзисторні ключі виконуються на біполярних або польових транзисторах. У свою чергу ключі на польових транзисторах діляться на МДП-ключі й ключі на польових транзисторах з керуючої р-n переходом.

Ключі на біполярних транзисторах діляться на насичені й ненасичені. При аналізі транзисторних ключів розглядають два режими - статичний і динамічний. У статичному режимі аналізується закритий і відкритий стан ключа.

У закритому стані ключа на його вході низький рівень напруги (сигнал логічного нуля), при якому обидва переходи зміщені у зворотному напрямку (режим відсічення). При цьому колекторний струм визначається тільки тепловим струмом.

При використанні ключа в логічних інтегральних схемах, у яких звичайно застосовуються транзистори типу n-р-n, що замикає напругу позитивно й у цьому випадку має місце тільки "умовне" запирання транзистора, коли його емітерний перехід зміщений у прямому напрямку; однак рівень діючі на його вході напруги менше граничного рівня, рівного близько 0,6 В и колекторний струм транзистора відносно малий, тобто становить лише одиниці відсотків від струму відкритого транзистора.

У відкритому стані ключа на його вході високий рівень напруги (сигнал логічної одиниці). При цьому можливі два режими роботи відкритого транзистора - робота в лінійній області вихідної характеристики або в області насичення.

В активній області емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному, при цьому для кремнієвих транзисторів напруга на емітерном переході становить близько 0,7 В и колекторний струм практично лінійно залежить від струму бази.

В області насичення обидва переходи транзистора зміщені в прямому напрямку й зміна струму бази не приводить до зміни колекторного струму. Для кремнієвих транзисторів ІС напруга на зміщеному в прямому напрямку р-n переході становить близько 0,8 В, для германієвих воно дорівнює 0,2...0,4 В.

Насичення ключа досягається збільшенням струму бази. Однак при деякому його значенні, що називається базовим струмом насичення, подальший ріст струму бази практично не приводить до росту колекторного струму насичення, при цьому напруга на колекторі (з урахуванням колекторного навантаження) становить кілька десятків або сотень мілівольт (в ІС близько 0,1...0,2 В). Однієї з важливих характеристик ключа в режимі насичення є параметр - коефіцієнт насичення (на границі насичення дорівнює1). Зі збільшенням коефіцієнта насичення ключа збільшується його навантажувальна здатність, зменшується вплив різних дестабілізуючих факторів на вихідні параметри ключа, але погіршується швидкодія. Тому коефіцієнт насичення вибирається з компромісних міркувань, виходячи з умов конкретного завдання.

Швидкодія ключового елемента визначається максимально припустимою частотою проходження вхідних перемикаючих сигналів. Очевидно, що воно залежить від загальної тривалості перехідного процесу, обумовленої інерційністю транзистора й впливом паразитних параметрів (наприклад, перезарядом паразитних ємностей у процесі перемикання). Часто для характеристики швидкодії ключового (логічного) елемента використовується середній час затримки сигналу при його передачі через елемент. При кінцевій тривалості фронту вхідного сигналу затримки включення й вимикання відлічуються на 10- або 50-процентних рівнях вхідного й вихідного сигналів.

Взаємодія ключів один з одним здійснюється через елементи зв'язку. Якщо рівень напруги на виході першого ключа високий, то на вході іншого ключа повинен бути рівень, при якому другий ключ відкривається й працює в заданому режимі, і, навпаки, якщо перший ключ відкритий, то на вході другого ключа повинен бути досить низький рівень, при якому другий ключ закритий. Ланцюг зв'язку впливає на перехідні процеси, що виникають при перемиканні, і, отже, на швидкодію ключів.

Хід роботи

1. Розглянемо найпростіший транзисторний ключ (рис 5.1). Напруга живлення ключа обрано невеликим (0.5 В), щоб можна було продемонструвати на екрані осцилографа спадання напруги на відкритому ключі. На рис 5.2 представлена також лицьова панель функціонального генератора із установленими режимами його роботи.

Рисунок 5.1 – Схема транзисторного ключа

Рисунок 5.2 - Лицьова панель функціонального генератора

2. Зняти осцилограми вихідних сигналів при подачі на вхід напруг прямокутної й пилкоподібної форми. Проаналізувати швидкодію ключа.

3. У найпростішому випадку, коли не потрібна висока лінійність робочої ділянки вихідної напруги, генератор пилкоподібної напруги (ГПН) виконується за схемою інтегруючої RC - ланцюга зі скиданням заряду при зворотному ході. Схема такого ГПН наведена на рис 5.3. Вона містить інтегруючий RC - ланцюг, ключ на транзисторі VT, генератор G імпульсів скидання, осцилограф, функціональний генератор і два ключі Z і А, керованих однойменними клавішами й призначених для реалізації різних режимів моделювання. Показані на панелі функціонального генератора значення коефіцієнта заповнення дозволяють одержати короткий імпульс скидання з генератора G при формуванні зворотного ходу, а на виході функціонального генератора - зразкова пилкоподібна напруга (з високою лінійністю), що буде використано при оцінці нелінійності ГПН.

Рисунок 5.3 – Схема ГПН і лицьова панель функціонального генератора

4. При положенні ключа А вгорі зняти осцилограми сигналів у контрольних крапках схеми. Формування вихідного сигналу (робочий хід) відбувається в паузах між короткими сигналами скидання, що надходять із генератора G. Тривалість цих імпульсів при встановлених частоті проходження 1 Гц і коефіцієнті заповнення 2% становить 0,02 с. Вихідний сигнал ГПН на інтервалі робочого ходу змінюється за експонентним законом.

5. Для порівняння пилкоподібного сигналу ГПН зі зразковим (створюваним функціональним генератором) переведемо ключ А в верхнє положення. При цьому функціональний генератор буде підключений до каналу А осцилографа. З візуального порівняння осцилограм сигналів видно, що генеруємий ГПН пилкоподібний сигнал має помітну нелінійність.

6. Досліджувати форму сигналу на виході ГПН при різних параметрах інтегруючої RC - ланцюга (збільшенні й зменшенні постійної часу у два рази).

7. У звіті надати всі осцилограми й виводи по проробленій роботі.

6. Лабораторна робота №6 «Дослідження логічних елементів»

Мета роботи: вивчити теоретичні відомості по логічних елементах, змоделювати електромеханічні схеми логічного 0 і 1, підключити до схеми кожний логічний елемент із набору Logic Gates і досліджувати таблицю істинності.

Теоретичні відомості

У цифрових схемах електронні ключі застосовуються для формування напруги “0” або “1” (U⁰, U¹).

Електронні ключі можуть використовуватися як самостійні елементи і як частина більше складних цифрових пристроїв.

При подачі на вхід досить великої напруги транзистор VT насичується, отже, електронний ключ відкривається. Колекторний струм (I_k) збільшується до максимально можливого значення, що дорівнює: I_k= . Напруга на колекторі: U_kmin=U_вых стає близьким до 0. Для насичення VT треба, щоб струм бази був більше відповідного струму бази насичення: I_б>I_бн= . Ключ закривається, якщо напруга U_б стає менше ніж напруга закриття транзистора, тоді U_к збільшується до значення: U_kmax=U_вых=E_k

У послідовних схемах (ПС) вихідні сигнали залежать не тільки від комбінацій вхідних, але й від значень самих вихідних сигналів у попередній момент часу. Для роботи ПС принципове значення має час затримки поширення tзд.р.

Відомо, що математичною основою цифрових обчислювальних пристроїв є двійкова арифметика, у якій використовуються всього два числа - 0 і 1. Вибір двійкової системи числення диктувався вимогами простоти технічної реалізації самих складних завдань із використанням усього одного базового елемента - ключа, що має два стани: включений (замкнутий) або виключений (розімкнуть). Якщо перший стан ключа прийняти за умовну (логічну) одиницю, то друге буде відбивати умовний (логічний) нуль або навпаки.

Дата добавления: 2015-05-06