Основы электроники

Понятие элементной базы устройств полупроводниковой электроники. Особенности классификации, вольт-амперных. Характеристики диодов, транзисторов, основные схемы включения и особенности их применения в конкретных приборах в различных режимах работы.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид учебное пособие
Язык русский
Дата добавления 24.09.2014
Размер файла 759,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Таблица 9.1

Х1

Х2

Y=Х1+Х2

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

Логическое умножение. Эту операцию называют операцией И или конъюнкцией. Постулаты логического умножения приведены в таблица 9.2. Условное обозначение логического элемента, выполняющего логическую операцию И, приведено на рис. 9.2 б.

Таблица 9.2

Х1

Х2

Y=Х1Х2

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Логическое отрицание. Операцию отрицания называют инверсией или дополнением. Постулаты инверсии приведены в таблице 9.3. Условное обозначение логического элемента, выполняющего операцию инверсии, приведено на рис. 9.1 в.

Таблица 9.3

Х

Y

0

1

1

0

а) б) в)

Рис. 9.1

Используя набор логических элементов, выполняющих элементарные логические операции И, ИЛИ, НЕ, можно реализовать более сложные логические операции и соответствующие им электронные схемы.

Элементы, реализующие различные функции, выпускаются в виде ИМС. Логические ИМС объединяют в серии. В основе каждой серии лежит базовый элемент, представляющий собой электрическую схему, выполняющую логические операции И-НЕ (элемент Шеффера) или ИЛИ-НЕ (элемент Пирса). Эти элементы более предпочтительны, так как при создании ЦИС, реализующих сложные логические функции, требуется только один базовый логический элемент И-НЕ, либо ИЛИ-НЕ.

9.2 Параметры логических ИМС

По способу кодирования информации различают потенциальные и импульсные логические элементы.

Большинство базовых логических элементов являются потенциальными, то есть двоичная информация в них представляется в виде двух уровней электрического потенциала: логический 0 - низким потенциалом U0, логическая 1 - высоким потенциалом U1. В импульсных логических элементах логической единице отвечает наличие импульса, а логическому нулю - его отсутствие.

Потенциальные логические элементы ИМС характеризуются следующими параметрами:

- напряжениями логических «0» и «1» U0 и U1;

- пороговыми напряжением UПОР - напряжение на входе, при котором состояние микросхемы изменяется на противоположное;

- коэффициентом объединения по входу m (числом входов);

- коэффициентом разветвления по выходу n (нагрузочная способность или количество аналогичных микросхем, которые можно подключить к выходу данной ИМС);

- входными токами I0ВХ и I1ВХ соответственно при UВХ= U0 и UВХ= U1;

- помехоустойчивостью -максимально допустимое напряжение помехи по высокому U1ПОМ и низкому U0ПОМ уровню входного напряжения;

- мощностью Р, потребляемой от источника питания;

- напряжением ЕП и током IП питания;

- временами задержки переключения из состояния «0» в состояние «1» и, наоборот;

- средним временем задержки переключения (быстродействие), равным 0,5(t0З + t1З).

Основной элементной базой современных статических цифровых систем являются элементы транзисторно - транзисторной логики (ТТЛ), включая элементы с диодами Шоттки, интегральной инжекционной логики (И2Л), эмиттерно - связанной логики на переключателях тока (ЭСЛ), МДП - транзисторной логики (МДПТЛ - на р- или на n - канальных МДП - транзисторах, КМДПТЛ - на комплементарных МДП - транзисторах).

Основные требования к элементной базе цифровых интегральных микросхем - это их высокое быстродействие, малая мощность рассеяния, большая плотность упаковки (количество элементов на единице площади кристалла) и технологичность процесса изготовления.

Любая из вышеперечисленных элементных баз, превосходя остальные по одному или нескольким параметрам, проигрывает им по другим параметрам.

Основой базового логического элемента ИМС может служить один из типов электронных ключей, используемых в качестве переключателей. Общие требования, предъявляемые к полупроводниковым приборам, применяемым в качестве переключателей, следующие: коэффициент усиления, больший единицы; однонаправленность передачи информации; большие коэффициенты разветвления по входу и выходу; высокая скорость переключения; малая потребляемая мощность. В качестве электронных ключей применяются кремниевые биполярные и полевые транзисторы. Ключи на полевых транзисторах меньше рассеивает мощность, в то же время применение биполярных транзисторов в качестве электрических ключей позволяет повысить их быстродействие.

9.3 Ключи на биполярных транзисторах

Простейшая схема ключа на БТ представлена на рис. 9.2. Нагрузочный резистор RК включен в коллекторную цепь транзистора с заземленным (общим) эмиттером. Ключ должен иметь два устойчивых состояния: открытое и закрытое.

Открытому состоянию ключа соответствует режим насыщения или активный режим транзистора, а закрытому - режим отсечки.

Если на базу транзистора подать отрицательное напряжение (UВХ0В), то эмиттерный и коллекторные переходы окажутся включенными в обратном направлении, то есть окажутся закрытыми. В этом случае транзистор работает в режиме отсечки коллекторного тока и ключ разомкнут. Токи транзистора в режиме отсечки соответственно равны

,, . (9.1)

В результате напряжение на коллекторе транзистора

, (логическая единица U1) (9.2),

что соответствует отключению нагрузки от источника питания (ключ разомкнут).

При наличии в цепи базы резистора RБ напряжение на базе транзистора

(9.3)

Рис. 9.2

При работе ключа в области высоких температур резко возрастает значение IК0 и соответственно напряжение на эмиттерном переходе. Поэтому для обеспечения нормальной работы транзистора в режиме отсечки необходимо выполнение следующего условия

(9.4),

где UПОР - положительное напряжение UБЭ на эмиттерном переходе, при превышении которого транзистор переходит из режима отсечки в активный режим, то есть откроется.

Для кремниевых транзисторов, выполненных по интегральной технологии UПОР=0,50,6 В.

Если UВХ=0, то условие (9.4) перепишется как

(9.5)

Полагая UПОР=0,6 В и IК0=1мкА получим, что RБ.max=0,6 МОм.

При подаче на вход UВХ0,7 В (логическая единица U1) транзистор работает в активном режиме или режиме насыщения (ключ замкнут).

Активный режим работы транзистора в схеме ключа нежелателен, так как ток нагрузки определяется не только нагрузкой RК и напряжением источника питания ЕП, но и падением напряжения UКЭ на транзисторе

(9.6)

то есть зависит от свойств транзистора (разброса параметров и их температурной зависимости). Кроме того, в активном режиме на транзисторе рассеивается дополнительная мощность , снижающая КПД схемы.

В режиме насыщения для кремниевых транзисторов, выполненных по интегральной технологии UВЫХ=UКЭ0,25 В (логический ноль U0). Отдельные ключи используются главным образом в аналоговых схемах. В цифровых схемах используются ключевые цепочки. В таких цепочках каждым ключом управляет предыдущий, и сам он, в свою очередь, управляет последующим. Следовательно, если в предыдущем ключе транзистор находится в режиме насыщения, то он не сможет переключить последующий ключ.

Таким образом, если на вход ключа подать потенциал логического нуля, то на его выходе потенциал логической единицы, и наоборот, то есть такой ключ является инвертирующей схемой и его называют инвертором.

Одной из важнейших динамических характеристик является быстродействие схемы, определяемое переходными процессами при включении и выключении. Пороговое значение напряжения на выходе схемы достигается позднее, чем на входе на интервал времени t1З при изменение входного уровня от U0 до U1 и на t0З при изменении входного уровня от U1 до U0. Причинами задержек является инерционность перезаряда емкостей транзисторов и нагрузки. Быстродействие схемы определяется по среднему времени задержки

.

Скорость переключения возрастает при увеличении токов, потребляемой схемой, из - за большей скорости перезаряда емкостей. Но при этом повышается потребляемая схемой мощность. Поэтому мощность и среднее время задержки оценивают с помощью параметра, называемого работой переключения AПtЗ. Для современных ИМС АП=10-12-10-14 Дж.

9.4 Ключи на полевых транзисторах

В качестве ключевых элементов используются обычно МДП- транзисторы с индуцированным каналом, которые при нулевом напряжении UЗИ обеспечивают разомкнутое состояние ключа (транзистор закрыт).

В основе базовых логических элементов на полевых транзисторах лежит ключ, в котором активный элемент и нагрузка представляют собой МДП-транзисторы. Активный и нагрузочный транзисторы могут иметь каналы одного и разного типа проводимости. При подаче на затвор активного транзистора высокого потенциала (уровень логической единицы) остаточное напряжение на его стоке составляет 50-100 мВ (уровень логического нуля). Тем самым реализуется инверсия.

Ключ на однотипных МДП - транзисторах. На рис. 9.3 приведена схема ключа на МДП-транзисторах с индуцированными каналами n- типа.

Рис. 9.3

Роль нелинейной нагрузки играет транзистор VT0. Подложка последовательно соединенных транзисторов закарачиваются на корпус, а затвор и сток нагрузочного транзистора соединены с источником питания. ЕП выбирается примерно 3UПОР, где UПОР - напряжение, при котором транзистор открыт. Следовательно, верхний транзистор всегда открыт, находится в режиме насыщения и служит для ограничения тока инвертора (динамическая нагрузка). Величина тока стока VT0 определяется формулой

(9.7)

Если на вход ключа Х подано напряжение U0ВХ UПОР (логический ноль), то транзистор VT1 заперт, через ключ протекает ток 10-9-10-10 А, а напряжение на выходе близко к напряжению питания: UВЫХЕп (логическая единица).

Если на вход ключа подано напряжение U1ВХUПОР, то транзистор VT1 открывается и переходит в режим насыщения, при котором ток стока IС1 определяется той же формулой (9.7), если положить UСИ0П

. (9.8)

Сопротивление канала VT1 в режиме насыщения равно

.

Умножая ток IС1 на сопротивление канала R, получим, что выходное напряжение

(9.9) .

Поскольку на практике U1ВХЕП. Из (9.9) видно, что для обеспечения малого значения UВЫХ в ключе должно выполняться соотношение В0В1. величина В определяется отношением ширины к длине канала Z/L.

Ключ имеет низкое быстродействие, так как фронт выходного импульса определяется не параметрами транзистора, а зарядом выходной емкости через нелинейное сопротивление нагрузочного транзистора, которое достигает сотен кОм.

Ключ на комплементарных МДП-транзисторах. Недостатком ключа на однотипных МДП-транзисторах является тот факт, что во включенном состоянии управляющего транзистора через ключ протекает ток, который не является принципиально необходимым, так как установившийся входной ток полевого транзистора практически равен нулю. От указанного недостатка свободен ключ, выполненный на комплементарных МДП-транзисторах, то есть на транзисторах с каналами противоположного типа проводимости (рис. 9.4).

Рис. 9.4

В этом ключе затворы обоих транзисторов соединены между собой и образуют входной вывод. Стоки, объединенные вместе образуют выходной вывод, а истоки совместно с подложкой подключены соответственно к источнику П и общей шине.

Оба транзистора управляются одним и тем же входным сигналом. Однако, поскольку пороговые напряжения UПОР этих транзисторов имеют различные знаки, состояния этих транзисторов при любом из уровней входного сигнала будут противоположными. Когда открыт один транзистор, закрыт другой. Действительно, если на входе Х=U0ВХ, то затвор транзистора VT0 будет иметь отрицательный потенциал относительно его подложки, равный U0ВХП=-ЕП. Следовательно, транзистор VT0 будет открыт. В то же время потенциал затвора транзистора VT1 относительно его подложки будет меньше порогового напряжения и этот транзистор будет закрыт. Если Х=U1ВХ, то транзистор VT1 откроется, а транзистор VT0 закроется, поскольку теперь напряжение на его затворе относительно подложки будет равно

.

Таким образом, в любом стационарном состоянии схемы один из транзисторов закрыт, поэтому схема практически не потребляет мощности от источника питания. Однако в процессе переключения схемы в течение какого-то времени оба транзистора открыты, т.к. второй еще не успевает закрыться. Потребляемая мощность ключа на комплементарных транзисторах в десять раз меньше мощности, потребляемой ключом на однородных МДП-транзисторах. Однако быстродействие схем одинаково и определяется временем перезаряда выходной емкости ключа, одинаковой для обоих типов ключей.

9.5 Базовые элементы логических интегральных схем

По принципу построения базовые элементы в виде логических ИМС подразделяются на следующие группы: диодно - транзисторные логические элементы (ДТЛ); (ТТЛ); (ЭСЛ); элементы на МДП- транзисторах; (И2Л). Тип электронных ключей определяет тип логики.

Если ключ содержит помимо транзисторов другие электрорадиоэлементы (резистор, диод), то это снижает уровень интеграции и поэтому эти типы логики не используются в качестве базовых элементов в ЦИС средней и большой интеграции. Ниже рассматриваются базовые элементы, используемые в современных цифровых интегральных устройствах.

Элементы транзисторно - транзисторной логики (ТТЛ). В этом типе логики используется инвертор на многоэмиттерном транзисторе (МЭТ), управляемого электронными ключами. Схема ТТЛ с простым инвертором на выходе показана на рис. 9.5 а.

Положим, что на входе Х1 и Х2 имеется потенциал логической единицы (2,4 В). Тогда эмиттерные переходы МЭТ закрыты и ток по цепи: источник ЕП - резистор R1- открытый коллекторный переход МЭТ направляется в базу транзистора VT1, из - за чего VT1 переходит в режим насыщения и на его коллекторе устанавливается низкий потенциал логического нуля (0,4 В).

Рис. 9.5

Теперь предположим, что на оба входа поданы низкие уровни напряжения (потенциал логического нуля). В этом случае эмиттерные переходы МЭТ будут смещены в прямом направлении, как и коллекторный переход. МЭТ перейдет в режим насыщения. Ток базы транзистора МЭТ возрастет, а ток коллектора этого транзистора, а значит, ток базы VT1 существенно уменьшится. Ток в транзисторе МЭТ протекает теперь в основном по следующему пути: источник питания ЕП- резистор R1- база - эмиттеры МЭТ - источник сигналов на входах - общая шина. Так как ток базы транзистора VT1 практически равен нулю, то этот транзистор закрывается и на выходе схемы появляется высокий уровень напряжения (2,4 В) (логическая единица).

Очевидно, что картина существенно не изменяется, если логический 0 будет подан только на один вход. Следовательно, логическая 1 на выходе будет иметь место, если имеется логический 0 хотя бы на одном из входов. Логический 0 на выходе имеет место тогда и только тогда, когда на всех входах имеет место логическая 1. Составив таблицу истинности, увидим, что элемент выполняет операцию 2И-НЕ. Описанный элемент не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способности и малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку СН (через большое сопротивление R2).

Улучшенными параметрами по сравнению с рассмотренной схемой обладает базовый элемент ТТЛ со сложным инвертором (рис. 9. 5 б). Этот элемент состоит их трех каскадов:

- входного многоэмиттерного транзистора МЭТ с резистором R0, реализующих логическую операцию И;

- фазорасширителя на транзисторе VT1, с резисторами R1 и R2;

- двухтактного выходного усилителя на транзисторах VT2 и VT3, резисторе R3 и диоде VD.

Такая схема имеет значительно меньшее выходное сопротивление, чем ускоряется перезаряд емкости нагрузки.

Как и в простейшей схеме для того, чтобы на выходе схемы установился уровень U1, необходимо хотя бы на одном из эмиттеров МЭТ иметь уровень логического нуля. При этом транзисторы VT1 и VT3 запираются, а VT2 открывается, так как на коллекторе VT1 напряжение будет высоким.

Емкость нагрузки СН заряжается через транзистор VT2 и диод VD. Резистор R3 ограничивает ток через транзистор VT2, защищая его от перегрузок.

При подаче на все эмиттеры МЭТ уровней U1 транзисторы VT1 и VT3 насыщены, транзистор VT2 практически закрыт. Емкость нагрузки СН быстро разряжается через насыщенный транзистор VT3. Дальнейшее повышение быстродействия схемы ТТЛ связано с использованием в ней диода и транзисторов Шоттки. Эта модификация обозначается ТТЛШ.

Элемент эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Элемент ЭСЛ (рис. 9.6) выполняется на основе переключателя тока, напоминающего ДК. При двух логических входах одно плечо состоит из двух транзисторов (VT1 и VT2), другое - из транзистора VT3.

Для повышения нагрузочной способности и уменьшения задержки распространения сигнала переключатель дополнен эмиттерным повторителем на транзисторе VT4. На базе VT3 опорное напряжение - Е0,

Рис. 9.6

обеспечивающее его открытое состояние. При подаче на любой вход (или на оба входа одновременно) сигнала логической единицы соответствующий транзистор отпирается, что приводит к переключению тока I0 из правого плеча схемы в левое плечо. Ток базы VT4 уменьшится, транзистор VT4 закроется и на выходе установится потенциал логического нуля. Если на оба входа поступают уровни логического нуля, то транзисторы VT1 и VT2 закроются, а VT3 открывается. Ток протекающий через резистор R1 открывает транзистор VT4 и на выходе схемы появляется напряжение логической единицы. Схема выполняет операцию 2ИЛИ-НЕ. Потребляемая мощность 2050 мВт, а быстродействие составляет 0,73 нс.

Элемент на однотипных МДП транзисторах (n-МДП). На рис. 9.7 показана схема с МДП-транзисторами с индуцированным n - каналом.

Рис. 9.7

Нагрузочный транзистор VT0 всегда открыт. Для обеспечения малого значения низкого уровня напряжения U0ВЫХ сопротивления каналов открытых VT1 и VT2 должны быть меньше сопротивления канала VT0. Поэтому VT1 и VT2 изготавливаются с коротким и широким каналом, нагрузочный - с длинным и узким. При подаче на один или оба входа положительного потенциала, соответствующего уровню логической единицы, (U1ВЫХUПОР), один или оба транзистора открываются и на выходе устанавливается логический ноль (U0ВЫХUПОР). Если на обоих входах логический ноль, то транзисторы VT1 и VT2 закрыты. Потенциал на выходе соответствует уровню логической единицы. Элемент выполняет операцию 2ИЛИ-НЕ. Потребляемая мощность 0,11,5 мВт, а быстродействие 10100 нс.

В СБИС и БИС используются КМДП и И2Л логические элементы. Они не содержат резисторов и работают в режимах микротоков. Поэтому занимают на кристалле небольшую площадь и потребляют малую мощность. В БИС при количестве элементов 105 мощность, потребляемая одним элементом, не должна превышать 0,025 мВТ.

Элемент на комплементарных МДП-транзисторах (КМДПЛ). Двухвходовая схема элемента приведена на рис. 9.8. При подаче на оба входа потенциала, соответствующего уровню логического нуля n- канальные транзисторы VT1 и VT2 заперты, а р-канальные транзисторы VT3 и VT4 открыты.

Ток через каналы закрытых транзисторов очень мал (10-10А). Следовательно, ток от источника питания практически не потребляется и на выходе схемы устанавливается потенциал, близкий к ЕП (уровень логической единицы). Если на один или оба входа подают уровень логической единицы, то транзисторы или VT1 и VT2 откроются и на выходе элемента потенциал будет близок к нулю. Элемент выполняет операцию 2ИЛИ-НЕ. Потребляемая мощность составляет 0,010,05 мВт, а быстродействие в пределах 1020 нс.

Рис. 9.8

Элемент интегрально-инжекционной логики (И2Л). Ключ состоит из комплементарной пары биполярных транзисторов-многоколлекторного транзистора VT1 n-p-n типа, в базовую цепь которого включен многоколлекторный транзистор (под названием инжектор) VT2 p-n-p типа, играющего роль генератора стабильного тока IП (рис. 9.10 а).

Рис. 9.10

Роль ключа играет промежуток эмиттер - коллектор транзистора VT1. Источником сигнала и нагрузкой элемента являются аналогичные схемы. Если на входе высокий потенциал, соответствующий уровню логической единицы, то транзистор VT1 открыт и находится в режиме насыщения. Потенциал на его выходе соответствует потенциалу нуля. При подаче на вход потенциала логического нуля эмиттерный переход VT1 будет закрыт. Ток дырок IП (ток переключения) включит коллекторный переход VT1 в обратном направлении. Вследствие этого выходное сопротивление VT1 резко возрастет и на его выходе появляется потенциал логической единицы. То есть данная схема, как и все предыдущие, являются инвертором. Логические операции реализуются путем соединения выходов инверторов металлическими проводниками. На рис. 9.10 б показана реализация операции И.

Действительно, если высокий потенциал U1ВХ подан хотя бы на один их входов Х1 или Х2, то в результате на соединенных выводах (точка А) появится низкий потенциал U0. В результате выполняется конъюнкция инверсных переменных и , которые образуются на выходах инверторов VT1 и VT3: . И2Л - элементы имеют быстродействие 10100 нс и потребляемую мощность 0,010,1 мВт. Площадь, занимаемая одним И2Л - элементом на кристалле в 34 раза меньше чем КМДП - элементом и в 510 раз меньше чем ТТЛ - элементом.

Таблица основных параметров рассмотренных базовых элементов логических ИМС

Параметр

Тип базового элемента

ТТЛ

ТТЛШ

n - МДП

Напряжение питания, В

5

5

5

Логический перепад сигнала

(U1ВЫХ- U0ВЫХ), В

4,5-0,4

4,5-0,4

Совместимы с ТТЛ

Уровень допустимых помех, В

0,8

0,5

0,5

Быстродействие, tЗ.СР, нс

5-20

2-10

10-100

Потребляемая мощность, мВт

2,5-3,5

2,5-3,5

0,1-1,5

Нагрузочная способность

10

10

20

Параметр

Тип базового элемента

КМДП

ЭСЛ

И2Л

Напряжение питания, В

3-15

-5,2

1

Логический перепад сигнала

(U1ВЫХ- U0ВЫХ), В

ЕП-0

(-1,6)-(-0,7)

0,5

Уровень допустимых помех, В

0,4ЕП

0,15

0,1

Быстродействие, tЗ.СР, нс

1-100

0,7-3

10-20

Потребляемая мощность, мВт

0,01-0,1

20-50

0,05

Нагрузочная способность

50

20

5-10

Тип логики основных серий ЦИС

Тип логики

Номер серии ЦИС

ТТЛ

155, 133, 134, 158

ТТЛШ

130, 131, 389, 599, 533, 555, 734, К530, 531, 1531, 1533, КР1802, КР1804

ЭСЛ

100, К500, 700, 1500, К1800, К1520

И2Л

КР582, 583, 584

р - МДПТЛ

К536, К1814

n - МДПТЛ

К580, 581, 586, 1801, 587, 588, 1820, 1813

КМДПТЛ

164, 764, 564, 765, 176, 561

Контрольные вопросы

1. Назовите операции булевой алгебры. Как они описываются с помощью таблиц истинности ?

2. Приведите условные графические обозначения логических элементов (ЛЭ) И, ИЛИ, НЕ.

3. Что такое функционально полная система ?

4. Приведите классификацию логических устройств по способу ввода - вывода переменных.

5. Какими параметрами характеризуются базовые логические элементы?

6. Что характеризуют коэффициенты объединения по входу и разветвления по выходу и каковы их типичные значения ?

7. Чем определяется зона помехоустойчивости ЛЭ ?

8. Приведите схему базового элемента 3И-НЕ ТТЛ и опишите ее функционирование.

9. Для чего в схемах ТТЛ используется сложный выходной инвертор ?

10. Каково назначения диодов и транзисторов Шоттки в схемах ТТЛШ?

11. Опишите функционирование схемы ЛЭ ЭСЛ.

12. Какие особенности характеризуют схемы на базе МДП - транзисторов ?

13. Приведите схему ключа на однородных МДП - транзисторах и опишите ее функционирование.

14. Приведите схемы логических элементов на однородных МДП- транзисторах, реализующих операции 3И-НЕ и 3ИЛИ-НЕ и опишите их функционирование.

15. Приведите схему ключа на комплементарных МДП - транзисторах.

16. Приведите схемы ЛЭ КМДП логики, выполняющие операции 3И-НЕ и 3ИЛИ-НЕ.

17. В чем заключаются особенности ЛЭ И2Л ?

18. Приведите схему базового логического элемента И2Л и ее технологию.

ГЛАВА Х. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа № 1

Исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов

Цель работы: исследовать основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов (ПД), влияние на них температуры окружающей среды.

1. Подготовка к лабораторной работе

1.1. ПД - это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с разным типом проводимости - n и р, и обладающий односторонней проводимостью. ВАХ ПД представлены на рис. 1.1. Здесь 1-теоретическая характеристика, 2- характеристика реального прибора (она учитывает сопротивления объемов полупроводниковой структуры ПД и сопротивления внешних контактов, влияние дополнительного разогрева ПД мощностью, выделяемой в ПД при протекании через него тока, и т.п.).

1.2. Связь тока диода с напряжением описывается уравнением:

(1.1)UТ=26 мВ, при Т= 300 К.

Рис. 1.1

Характеристики отражают основное свойство ПД. В открытом состоянии через ПД протекает значительный прямой ток (iпр >мА); это состояние обеспечивается подачей на ПД прямого напряжения uпр:

В закрытом состоянии через ПД протекает весьма незначительный обратный ток iобр, величина которого у германиевых ПД имеет порядок 10-5 - 10-6А, а у кремниевых 10-9 - 10-12А. Закрытое состояние ПД обеспечивается подачей на него обратного напряжении uобр:

Из рисунка 1.1 видно, что прямая ветвь ВАХ реального ПД сдвинута относительно теоретической характеристики в область более высоких прямых напряжений с резко выраженной величиной порогового напряжения, то есть напряжения, при котором возникает заметный прямой ток. У германиевых ПД величина 0,25 - 0,4 В, у кремниевых ПД - 0,65 - 0,8 В.

Влияние температуры окружающей среды на ВАХ ПД иллюстрирует рисунок 1.2. При возрастании температуры увеличиваются прямой и обратный токи.

Рис. 1.2.

Основным параметром ПД, учитывающим влияние температуры, является:

Температурный коэффициент напряжения бt

(1.2)

2. Задание на выполнение лабораторной работы

2.1. Перед выполнением лабораторной работы нужно ознакомиться со схемой (рис. 1.3), методами измерений, используемыми измерительными приборами.

2.2 Снять прямую ветвь ВАХ ПД (рис. 1.1). Эксперимент выполнить для двух ПД - германиевого и кремниевого.

Рекомендации для выполнения эксперимента

Прямой ток ПД очень сильно зависит от напряжения (рис. 1.1), поэтому для ограничения тока последовательно с ПД необходимо включить ограничительный резистор R=560 Ом. (рис. 1.3). Практически ВАХ ПД удобно снимать, устанавливая необходимую величину тока ПД и фиксируя соответствующее этому току напряжение .

При эксперименте зафиксировать величину порогового напряжения (при ).

Результаты измерений занести в таблицу протокола и построить график полученной зависимости .

2.3Снять обратную ветвь ВАХ ПД для германиевого ПД (рис.1.1).

Рекомендации для выполнения эксперимента

Обратный ток ПД слабо зависит от (рис. 1.1), поэтому целесообразно снимать обратную ветвь ВАХ, устанавливая напряжения в интервале от 0 до и измеряя соответствующие этим напряжениям значения тока. При этом следует иметь в виду, что наиболее сильно ток изменяется в интервале от U=0 до = -1В.

Результаты измерений занести в таблицу протокола и построить график полученной зависимости .

3. Обработка результатов измерений

3.1. Обработка результатов измерений, выполненных в п. 2.2.

На графиках экспериментальных ВАХ германиевого и кремниевого ПД построить соответствующие теоретические характеристики, рассчитанные по формуле 1.1.

Величины теплового тока определите с помощью формулы 1.1 в точке , , считая, что в данной точке теорети-ческие и экспериментальные зависимости совпадают.

Определить по экспериментальным ВАХ при =10 мА значения дифференциального сопротивления и сопротивления постоянному току для германиевого и кремниевого ПД.

3.2. Обработка результатов измерений выполненных в п.2.3.

Пользуясь экспериментальной ВАХ германиевого ПД (п.2.3), определить при = 10 В дифференциальное сопротивление и сопротивление постоянному току .

4. Содержание отчета:

Отчет должен содержать:

- схемы измерений;

- таблицы и графики снятых зависимостей;

- результаты расчетов и построения;

- анализ результатов измерений и расчетов.

Лабораторная работа № 2

Исследование статических характеристик и параметров биполярных транзисторов

Цель работы: исследовать основные статические характеристики и параметры биполярных транзисторов, познакомиться с методикой измерения характеристик и обработкой экспериментальных данных.

1. Подготовка к лабораторной работе

Статическими характеристиками транзистора называются зависимость установившихся значений тока (напряжения) на выходе транзистора от задаваемых значений тока (напряжения) на входе. В схеме с общим эмиттером в качестве независимых переменных выбирают ток базы и напряжение коллектор-эмиттер , тогда:

(2.1)

В графической форме функции двух переменных изображают в виде семейств характеристик.

Семейство входных характеристик БТ показано на рис. 2.1. Каждая из характеристик представляет зависимость

, при (2.2)

(принято по оси абсцисс откладывать , а по оси ординат iБ). Каждая из характеристик семейства снимается при постоянном напряжении коллектор-эмиттер (на рис. 2.1 ).

Семейство выходных характеристик

, при (2.3)

представлено на рис. 2.2 .

Область левее пунктирной линии соответствует режиму насыщения БТ, а правее - активному режиму.

Рис. 2.1 Рис. 2.2

При работе с сигналами малой амплитуды нелинейные зависимости (2.1-2.3) могут быть представлены следующими уравнениями:

(2.4)

где , при - входное сопротивление

транзистора;

, при - дифференциальный

коэффициент передачи тока; (2.5)

, при - коэффициент обратной

связи понапряжению;

, при - выходная проводимость

транзистора;

h- параметры в соответствии с формулами (2.5) можно определить с помощью семейств характеристик (h11 и h12 - по семейству входных, а h21 и h22 - по семейству выходных характеристик).

2. Задание на выполнение лабораторной работы

2.1. Провести подготовку к эксперименту:

ознакомиться со структурой и предельными параметрами транзистора, данные транзистора занести в протокол; заготовить таблицы для измерений.

Таблица 2.1

Входные и управляющие характеристики

ЕБ

В

UБЭ

В

iБ

мкА

iK

мА

Таблица 2.2

Выходные характеристики транзистора

iБ, мкА

UКЭ

В

iK

мА

UКЭ

В

iK

мА

UКЭ

В

iK

мА

и т.д.

Собрать схему для измерений (рис. 2.3), схема цоколевки транзистора представлена на рис. 2.4. Сопротивление резистора R1= (5-10) кOм.

Рис. 2.3.

Рис. 2.4.

2.2. Снять входную и управляющие характеристики транзистора при постоянном напряжении . Результаты измерений и расчетов занести в табл. 2.1.

2.3. Снять семейство выходных характеристик:

- семейство выходных характеристик снимать начиная от тока базы iБ =50мкА и далее с шагом 50 мкА. Ток коллектора при этом не должен превышать допустимого значения;

- шаг изменения напряжения Uкэ должен быть выбран так, чтобы в активном режиме снять 3-5 точек и в режиме насыщения - 2-3 точки.

3.Обработка результатов эксперимента:

3.1. Построить на графиках входную и управляющую характеристики, а также семейство выходных характеристик.

В точке Uкэ =5 В, iБ =100мкА определить параметры транзистора

,,

3.2.Построить выходную характеристику при токе базы, равном 100 мкА.

4. Содержание отчета:

Отчет должен содержать:

- схемы измерений;

- таблицы и графики снятых зависимостей;

- результаты расчетов.

Лабораторная работа № 3

Исследование полевого транзистора с управляющим переходом

Цель работы: изучить статические характеристики и дифференциальные параметры полевого транзистора, исследовать влияние температуры на работу транзистора.

1. Подготовка к лабораторной работе

В лабораторной работе исследуется полевой транзистор с каналом р-типа, устройство которого и условное обозначение показаны на рис. 3.1.

Рис. 3.1.

Управление током стока осуществляется путем подачи на затвор, то есть на управляющий р-n-переход, обратного напряжения UЗИ>0. При увеличении запирающего напряжения UЗИ увеличивается ширина области объемного заряда. Соответственно уменьшается ширина канала, увеличивается его сопротивление RK, а следовательно, уменьшается ток стока IС при заданном напряжении между стоком и истоком UСИ. В качестве иллюстрации управляющая характеристика IC(UЗИ) приведена на рис 3.2.

Напряжение на затворе, при котором области объемного заряда управляющего р-n-перехода и р-n-перехода подложка-канал смыкаются, и ток стока IC становится равным нулю, называется пороговым напряжением UПОР.

Рис. 3.2.

Управляющую характеристику полевого транзистора в режиме насыщения удобно аппроксимировать зависимостью

, (3.1)

где IC max - начальный ток стока, соответствующий UЗИ = 0.

По управляющей характеристике (рис. 3.2) может быть рассчитана крутизна транзистора

.

При использовании аппроксимации (3.1) выражение для крутизны имеет вид

, (3.2)

Семейство выходных характеристик полевого транзистора показано на рис. 3.3. Начальный участок характеристики (UСИ<UСИ.НАС) соответствует линейному режиму. В этом режиме канал существует на всем промежутке исток-сток, поэтому ток стока возрастает с ростом UСИ по закону, близкому к линейному.

При UСИUСИ.НАС транзистор переходит в режим насыщения, в котором ток стока IС слабо зависит от напряжения на стоке UСИ. Напряжение насыщения UСИ.НАС, являющееся границей двух режимов, зависит от напряжения на затворе UЗИ и рассчитывается по формуле: UСИ НАС =UЗИ-UПОР. По выходным характеристикам (рис.3.3) может быть рассчитано выходное сопротивление

(3.3)

Оно велико в режиме насыщения, поэтому при использовании транзистора для целей усиления точка покоя схемы выбирается в этом режиме. Выходное сопротивление транзистора в линейном режиме зависит от напряжения на затворе UЗИ и приближенно может быть рассчитано как отношение напряжения UСИ к току IС в выбранной рабочей точке, или по формуле 3.3.

Рис. 3.3.

, (3.3)

где .

2. Задание на выполнение работы

2.1. Ознакомиться со схемой исследования (рис.3.4), измерительными приборами и паспортными данными полевого транзистора КП103, исследуемого в работе (см.прил. П5).

Зарисовать цоколевку и записать в протокол предельно допустимые параметры UСИ ДОП, IС ДОП, PДОП исследуемого транзистора. Собрать схему по рис. 3.4.

2.2. Снять две управляющие характеристики транзистора при напряжениях на стоке UСИ=1/3UСИ ДОП и 2/3UСИ ДОП (UСИ ДОП -допустимое напряжение на стоке берется из паспортных данных). Результаты измерений занести в табл.3.1 и по ним построить семейство управляющих характеристик. В ходе эксперимента напряжение UЗИ следует изменять от 0 до порогового напряжения UПОР.

Рис. 3.4.

Таблица 3.1

UЗИ, В

IС, мА

UСИ=1/3UСИ ДОП

UСИ=2/3UСИ ДОП

2.3. Снять семейство выходных характеристик IС=f(UСИ) при трех значениях напряжения на затворе UЗИ=0; 0,25UПОР; 0,5UПОР.

До проведения эксперимента следует построить в системе координат IС - UСИ область дозволенных режимов работы транзистора (рис.3.5).

Пояснение:

Для построения линии РС ДОП произвольно выбирается несколько значений UСИ в пределах от 0 до UСИ ДОП и в этих точках рассчитывается ток стока IС=PС ДОП/UСИ.

Рис. 3.5.

Экспериментальные точки заносить в табл.3.2 и сразу же отмечать на заготовленном графике (рис.3.5). При этом необходимо следить, чтобы не выйти за область дозволенных режимов работы транзистора.

Таблица 3.2

UСИ, В

IС, мА

UЗИ=0

UЗИ=0,25UПОР

UЗИ=0,5UПОР

2.4. Исследовать влияние температуры на статические характеристики транзистора. Поместив исследуемый транзистор в термостат и установив нужное значение температуры, снять две управляющие характеристики IС=f(UЗИ) при напряжении на стоке UСИ=1/3UСИ ДОП и температуре Т=40° и 80°С.

Результаты измерений занести в табл.3.3 и по ним построить две управлявшие характеристики IС=f(UЗИ) при T=40° и 80 С.

Таблица 3.3

UЗИ, В

IС, мА

T=40°

T=80°

3. Обработка результатов эксперимента.

3.1. Управляющие характеристики, снятые в п.2.2, аппроксимировать выражением (3.1). Результаты аппроксимации отразить на том же графике IС=f(UЗИ).

3.2. Пользуясь управляющими характеристиками, определить крутизну транзистора в следующей рабочей точке: UСИ=1/3UСИ ДОП, UЗИ=0,5UПОР. Рассчитать S в этой же точке по формуле (3.2).

3.3. На семействе выходных характеристик, снятых в п.2.3, укажите границу между режимами линейным и насыщения, которая соответствует уравнению UСИ НАС=UЗИ - UПОР.

3.4. Пользуясь выходными характеристиками, определить выходное сопротивление транзистора в следующих рабочих точках:

- в режиме насыщения (UСИ=1/3UСИ ДОП, UЗИ=0,25 UПОР);

- в линейном режиме при UСИ=0 и трех значениях UЗИ=0; 0,25UПОР; 0,5UПОР.

Результаты расчета занести в табл.3.4 и построить по ним для линейного режима зависимость rВЫХ от UЗИ.

Таблица 3.4

UЗИ

rВЫХ, кОм

UСИ=1/3UСИ ДОП

UСИ=0

UЗИ=0

UЗИ=0,25UПОР

UЗИ=0,5UПОР

3.5. На управляющих характеристиках, снятых в п.2.4, найти координаты IСТ и UЗИТ термостабильной точки, в которой пересекаются управляющие характеристики, снятые при разных температурах.

4. Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

- справочные данные исследуемых транзисторов;

- схему исследования;

- таблицы и графики снятых зависимостей;

- результаты аппроксимации управляющих характеристик, расчетов

крутизны S и выходного сопротивления транзистора rВЫХ.

Лабораторная работа № 4

Исследование параметров операционных усилителей

Цель работы: изучить методики измерения основных параметров операционных усилителей.

1. Подготовка к лабораторной работе

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении - это универсальная аналоговая микросхема, представляющая собой двухвходовый дифференциальный широкополосный усилитель постоянного тока, на выходе которого формируется сигнал, равный по величине усиленной разности входных сигналов.

Операционным он назван потому, что предназначен для выполнения математических операций над входными сигналами при использовании его в электрической схеме с цепью внешней обратной связи. При соответствующем выборе элементов этой цепи ОУ может использоваться для сложения, вычитания, перемножения, усреднения, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования и т.п. При этом точность выполнения указанных операций тем выше, чем больше коэффициент усиления и входное сопротивление ОУ и чем меньше выходное сопротивление.

Количество параметров, характеризующих ОУ, достигает нескольких десятков.

К основным относятся:

- коэффициент усиления ОУ без обратной связи КU, Обычное значение KU - несколько десятков-сотен тысяч;

- коэффициент ослабления синфазных входных сигналов - Кос.сф характеризует способность ОУ ослаблять (т.е. не усиливать) сигналы, приложенные одновременно к обоим входам. Как правило, Кос.сф выражают в децибелах:

- входное напряжение сдвига (смещения) - Uсм. Это величина напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы напряжение на его выходе стало бы равно нулю. Этот параметр характеризует неидеальность ОУ и обусловлен неидентичностью транзисторов входного каскада. Типичное значение Uсм составляет доли милливольт-десятки милливольт;

- входные токи - Iвх. Это токи, протекающие через входные выводы ОУ при нулевых входных напряжениях, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов, либо токами утечки затворов в случае использования полевых транзисторов во входном каскаде ОУ. Типичные значения Iвх - доли наноампер-десятки микроампер (10-10...10-15А);

- разность входных токов - Iвх может достигать 10...20%. Она характеризует степень неидентичности транзисторов входного каскада ОУ;

- скорость нарастания выходного напряжения Uu.вых - отношение изменения Uвых от 10% до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение входного сигнала;

- частота единичного усиления - f1 - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления ОУ по напряжению падает до единицы. Данный параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ.

Условные графические обозначения ОУ и назначения выводов приведены на рис.4.1 а, б.

Обратите внимание, что для питания ОУ используются два источника -Uп и +Uп. Кроме того, следует иметь в виду, что ОУ, не имеющие внутренней коррекции частотной характеристики, без элементов внешней коррекции возбуждаются.

А )б)

Рис. 4.1.

1 - неинвертирующий вход ОУ;

2 - инвертирующий вход ОУ;

3,4 - выводы для подключения внешних элементов коррекции амплитудно-частотной характеристики

5,6 - выводы для подключения внешних элементов балансировки;

7 - выход ОУ;

8 - вывод для подключения источника питания положительной полярности;

9 - вывод для подключения источника питания отрицательной полярности;

10 - вывод для соединения с общей шиной (нулевой потенциал) схемы.

Расположение выводов, параметры и типовые схемы коррекции ОУ, исследуемых в лабораторной работе, приведены в приложении. Следует помнить, что на принципиальных схемах устройств на основе ОУ допускается не указывать имеющиеся цепи питания и стандартные схемы коррекции.

2. Задание на выполнение лабораторной работы

Пользуясь приложением, зарисовать условное обозначение исследуемого ОУ (с указанием номеров выводов и элементов коррекции), выписать значения предельных параметров.

2.1. Определить предельное значение коэффициента усиления ОУ (KU).

Вследствие значительной величины KU=104...106 его непосредственное измерение затруднительно. Поэтому это значение KU получают в результате расчета.

2.1.1. Собрать схему согласно рис.4.2 (цоколевка ОУ приведена в приложении). (Напомним, что схема частотной коррекции не показана, хотя и должна быть собрана. В дальнейшем будут опущены и элементы питания Е3).

Рис. 4.2.

2.1.2. Установить на выходе генератора (1) синусоидальный сигнал с амплитудой UГ=l В и частотой fГ=l0..20 Гц. При этом на экране осциллографа 2 должен наблюдаться неискаженный сигнал (если наблюдаются искажения, то необходимо уменьшить UГ).

2.1.З. С помощью вольтметра (3) измерить переменные напряжения U1 (между точкой "A" и общим проводом) и UВЫХ, затем рассчитать KU по формуле:

2.2. Определить напряжение смещения (Uсм) и входной ток (Iвх) операционного усилителя.

По причине малости этих величин непосредственное измерение Uсм и Iвх затруднительно и поэтому их значения определяют расчетным путем.

2.2.1. Собрать схему согласно рис. 4.3 (на схеме источники питания и цепи коррекции не показаны)

2.2.2. Установить перемычку П1 (вместо резистора R1), соединяющую неинвертирующий вход ОУ (на схеме со знаком "+") с общим проводом. Записать величину постоянного напряжения UВЫХ1, которое показывает вольтметр.


Подобные документы

  • Понятие, области, основные разделы и направления развития электроники. Общая характеристика квантовой, твердотельной и вакуумной электроники, направления их развития и применения в современном обществе. Достоинства и недостатки плазменной электроники.

    реферат [344,7 K], добавлен 08.02.2013

  • Дальнейшее развитие электроники и необходимость уменьшения размеров устройств до наномасштабов с использованием новой элементной базы. Квазиодномерные системы, нанотрубки на основе углерода. Электронный спектр и проводимость двустеночной нанотрубки.

    реферат [67,0 K], добавлен 07.03.2010

  • Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники. Транзисторы с изолированным затвором. Схемы включения полевых транзисторов. Силовые запираемые тиристоры. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Назначение защитной цепи.

    реферат [280,5 K], добавлен 03.02.2011

  • Устройство плоскостного биполярного транзистора. Концентрация основных носителей заряда. Схемы включения биполярных транзисторов. Статические характеристики биполярных транзисторов. Простейший усилительный каскад. Режимы работы и область применения.

    лекция [529,8 K], добавлен 19.11.2008

  • Изучение свойств германиевого и кремниевого выпрямительных полупроводниковых диодов при изменении температуры окружающей среды. Измерение их вольт-амперных характеристик и определение основных параметров. Расчет дифференциального сопротивления диода.

    лабораторная работа [29,7 K], добавлен 13.03.2013

  • Краткие сведения из теории полупроводниковой электроники. Принцип работы и технические характеристики интегральных микросхем с тремя логическими состояниями и с открытым коллектором. Методика выполнения логических функций на логических элементах.

    лабораторная работа [801,7 K], добавлен 06.07.2009

  • Принципы работы полупроводниковых приборов. Физические основы электроники. Примесная электропроводность полупроводников. Подключение внешнего источника напряжения к переходу. Назначение выпрямительных диодов. Физические процессы в транзисторе, тиристоры.

    лекция [4,4 M], добавлен 24.01.2014

  • Транзистор как прибор, предназначенный для преобразования различных электрических сигналов. Устройство и принцип действия транзисторов. Схема включения, система обозначения силовых транзисторов, кодовая маркировка, тип корпуса, пример параметров.

    реферат [283,7 K], добавлен 19.02.2010

  • Разработка и моделирование в системе Micro-CAP электрической схемы измерительного преобразователя для первичного преобразователя температуры, обеспечивающей заданные метрологические характеристики. Расчет погрешности от влияния разброса компонентов.

    курсовая работа [1,9 M], добавлен 29.11.2013

  • Виды и обозначение диодов. Основные параметры выпрямительных диодов. Диоды Шоттки в системных блоках питания, характеристики, особенности применения и методы проверки. Проявление неисправностей диодов Шоттки, их достоинства. Оценка возможности отказа.

    курсовая работа [52,6 K], добавлен 14.05.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.