Рис. 4.3.

2.2.3. Удалить перемычку П1 и установить между неинвертирующим входом ОУ и общим проводом резистор R1. При этом показания вольтметра изменяются. Записать их, обозначив U_ВЫХ2.

2.2.4. Рассчитать (с учетом знаков U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2) величины напряжения смещения

и входного тока I_вх ОУ

2. Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

- паспортные данные и схемы коррекции исследуемого ОУ;

- схемы измерений и значения измеренных параметров ОУ.

Лабораторная работа № 5

Исследование ключевых схем на полевых транзисторах

Лабораторная работа № 6

Исследование интегральных схем транзисторно-транзисторной логики

Лабораторная работа № 7

Исследование интегральных оптронов

Цель работы: изучить особенности работы и методики измерения параметров оптронов

1. Подготовка к лабораторной работе.

Оптроны являются основными структурными элементами оптоэлектроники - одного из современных направлений функциональной микроэлектроники.

Простейший диодный оптрон состоит из трех элементов (рис. 7.1): - 1 - фотоизлучателя, 2 - световода и 3 - фотоприемника, заключенных в светонепроницаемый герметичный корпус. При подаче на вход электрического сигнала возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, в котором вырабатывается выходной электрический сигнал. Существенной особенностью оптрона является то, что его элементы связаны оптически, а электрически вход и выход изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Условное обозначение диодного оптрона приведено на рис.7.2, а его конструкция - на рис.7.3. 1,2 - р- и n- области фотодиода; 3,4 - n- и р- области светодиода; 5 - световод на основе селенового стекла; 6,7 - контакты светодиода; 8,9 - контакты фотодиода.

В качестве фотоизлучателей оптронов получили распространение инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов и дырок.

Рис. 7.1. Рис. 7.2.

Рис. 7.3.

Известно, что физическое явление, лежащее в основе принципа действия светодиода, называется электролюминесценцией. Его сущность заключается в том, что в некоторых полупроводниковых материалах процесс рекомбинации электронов и дырок сопровождается излучением кванта света. Напомним, что в кремнии и германии энергия рекомбинирущих частиц рассеивается на колебаниях решетки (акустических фононах).

Для преобразования световых сигналов в электрические в основном используются фотодиоды (а также фоторезисторы, фототранзисторы и фототиристоры).

Фотодиод представляет собой обычный n-р- переход, чаще всего на основе кремния или германия, обратный ток которого определяется скоростью генерации носителей заряда порождаемых действием падающего света. Данное явление называется внутренним фотоэффектом.

Обратите внимание, что существуют два режима использования фотодиода: без внешнего питания - вентильный или фотовольтаический режим и с внешним питанием - фотодиодный режим. Фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрическую без внешнего питания, называют вентильными фотоэлементами. Возникновение фото-ЭДС U_ф связано с разделением генерированных светом электронно-дырочных пар полем n-р- перехода. При этом происходит накопление дырок в р-области и электронов в n-области, за счет чего, на n-р- переходе создается добавочная разность потенциалов. Величина фото-ЭДС U_ф зависит от уровня оптического сигнала Р_ф и величины сопротивления нагрузки. Типичные выходные характеристики вентильного фотоэлемента приведены на рис.7.4.

Рис. 7.4. Рис. 7.5.

Необходимо иметь в виду, что в фотодиодном режиме за счет источника внешнего напряжение фототок i_ф примерно равен току короткого замыкания вентильного элемента, а падение напряжения от фототока на нагрузке U_ф при любом сопротивлении нагрузки больше по величине. Зависимости напряжения сигнала U_ф от мощности оптического излучения Р_ф для фотодиода (1) и вентильного элемента (2) при одинаковом сопротивлении нагрузки приведены на рис.7.5. Эффективность фотоэлектрического преобразования принято характеризовать вольт-ваттной S_U=U_ф/Р_ф и ампер-ваттной S_i=I_ф/Р_ф чувствительностью. Следует отметить, что дополнительным преимуществом фотодиодов является высокая линейность световых характеристик I_ф, U_ф=f(Р_ф), позволяющая применять их в оптических линиях связи. Вентильные элементы в основном используются в качестве преобразователей энергии (солнечные батареи).

Обратите внимание, что управление током с помощью света может быть получено и в биполярном транзисторе, причем с существенно большей чувствительностью, чем в фотодиодах, за счет усиления тока базы. Следует отметить, что оптическая генерация носителей в базе фототранзистора эквивалентна введению в базу носителей заряда от внешнего источника. В результате фототок транзистора усиливается в раз по сравнений с фотодиодом, где - статический коэффициент усиления тока базы фототранзистора.

Рис. 7.6.

Инерционность оптрона связана с процессами в светодиоде и приемнике излучения и описывается с помощью времен нарастания t_нp и спада t_сп выходного сигнала рис.9.6. (При подаче на вход прямоугольного импульса).

Можно выделить следующие основные параметры диодных оптронов:

- максимальный входной ток I_{вх mах};

- максимальное входное напряжение U_{вх mах};

- максимальное выходное обратное напряжение U_{вых обр. mах}:

- входное напряжение U_вх - постоянное входное напряжение, соответствующее заданному входному току;

- выходной обратный темновой ток I_{вых обр. т}:

- времена нарастания t_нp и спада t_сп выходного сигнала - интервалы времени, в течение которых выходной сигнал диодного оптрона изменяется в интервалах0.1-0.9 и 0.9-0.1 от своего максимального значения (рис.9.6);

- коэффициент передачи по току К_I - отношение приращения выходного тока к входному К_I = (I_вых-I_{вых обр т})/I_вх.

Предельные параметры и расположение выводов диодных оптронов, используемых в работе, приведены в приложении.

2. Задание на выполнение лабораторной работы.

Зарисовать принципиальную схему исследуемого оптрона и выписать предельные параметры.

2.1. Исследовать характеристики диодного оптрона.

2.1.1. Собрать схемы исследования рис.7.7. Установить ограничители тока в источниках питания в соответствии с предельными параметрами оптрона.

2.1.2. Изменяя Е₁, снять входную характеристику оптрона: I_вх=f(U_вх).

Принять I_вх= E₁/R1, так как входное сопротивление светодиода много меньше R1.

Рис. 7.7.

Результаты измерений занести в табл. 7.1.

Таблица 7.1

2.1.3. Установить Е₂=0. Изменяя Е₁, снять передаточную характеристику оптрона при использовании фотовольтаического режима I_вых=f(I_вх).

Результаты измерений занести в табл.7.2.

Таблица 7.2

2.1.4. Установить Е₂=5 В. Повторить измерения по п.2.1.3 для оптрона при использовании фотодиодного режима. Результаты измерений занести в табл.7.3, аналогичную 7.2.

2.1.5. Измерить времена нарастания t_нр и спада t_cn выходного тока оптрона.

Собрать схему исследования, изображенную на рис.7.8, включив в цепь светодиода генератор импульсов. Установить на выходе генератора амплитуду импульсов 5В с частотой следования примерно 1кГц. К измерительному резистору R2 через делитель напряжения 1:10 подключить осциллограф. (Другой канал осциллографа используйте для измерения амплитуды импульсов на выходе генератора). Установить Е₂=5В и по осциллограмме выходного тока (пропорционального падению напряжения на R2) измерить времена нарастания t_нр и спада t_cп.

Установить Е₂=0 и повторить измерение времен для фотовольтаического режима.

Рис. 7.8.

2.2. Исследовать характеристики транзисторного оптрона. Собрать схему рис.7.9, установить Е₂=5 В.

(В этой схеме фотодиод оптрона и внешний транзистор имитируют фототранзистор).

Изменяя Е₁, снять передаточную характеристику транзисторного оптрона I_вых=f(I_вх); принять I_вх=Е₁/Р1 и I_вых=I_к. Результаты измерений занести в табл. 7.4, аналогичную 7.2 и 7.3.

Рис. 7.9.

3. Обработка результатов эксперимента.

3.1. Построить входную характеристику оптрона и определить величину входного напряжения U_вx, соответствующего I_вх=10 мА.

3.2. Построить передаточные характеристики оптрона в диодном и фотовольтаическом режимах и определить коэффициенты передачи тока K_I при I_вх=10 мА.

3.3. Рассчитать среднее время задержки распространения сигнала в диодном оптроне

.

3.4. Построить передаточную характеристику транзисторного оптрона и рассчитать коэффициент передачи тока К_I при I_вх=10мА.

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

- предельные параметры и принципиальную схему исследуемого оптрона;

- схемы измерений;

- таблицы и графики снятых зависимостей;

- рассчитанные значения параметров;

- осциллограммы токов и напряжений.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. А.Г. Морозов. Электротехника, электроника и импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1987.

2. А.Г, Алексенко, И.И. Шагурин. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1990.

3. Д.В. Игумнов, Г.В. Королев, И.С. Громов. Основы микроэлектроники. - М.: Высшая школа, 1991.

4. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.

5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.

6. Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Ф. Федорова. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочные данные исследуемых в лаборатории электронных приборов и интегральных микросхем

П1. Выпрямительные, импульсные и высокочастотные диоды

П2. Стабилитроны и стабисторы

П3. Биполярные транзисторы

(ТР 2)МП 37(ТР 27)КТ 315

МП 39КТ 361

П4. Полевые транзисторы

(ТР 67)КП 103 (ТР 69)КП 305(ТР 71) КП 301

П5. Интегральные микросхемы

Все используемые в лаборатории микросхемы имеют прямоу-гольные пластмассовые или керамические корпуса типов 201.14.1-201.14.9 с расположением 14 выводов в 2 ряда (метка может быть выполнена в виде точки около первого вывода).

К140УД20. Сдвоенный операционный усилитель.

К553УД2; КР1408УД1 Операционные усилители

Основные параметры ОУ, исследуемых в лаборатории

К176ЛП1 Универсальный логический элемент КМОП-структуры (при соответствующей коммутации может быть использован в качестве трех элементов НЕ, элемента НЕ с большим коэффициентом разветвления, элемента 3И-НЕ, элемента 3ИЛИ-НЕ и триггерной ячейки).

Основные электрические параметры:

- напряжение питания U_п=9В+5%,

- уровни логических сигналов U⁰_вых 0,3В; U¹_вых 8,2В; потребляемый ток, мА, не более 0,3;

- среднее время задержки распространения 200 нс.

Работоспособность сохраняется при уменьшении напряжения питания до 5В. Допустимый диапазон входных сигналов (0 - U_п).

К176ЛА7,

К176ЛА8. 4 элемента 2И-НЕ КМОП-структуры:

Принципиальная схема каждого из элементов 2И-НЕ.

Предельные и основные электрические параметры как для К175ЛП1.

Размещено на Allbest.ru