Етодические указания для самостоятельной подготовки к занятию

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

“КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА”

Часть 1

Харьков 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление ...................................................................................................................
1. Полупроводниковые диоды ...............................................................................
2. Транзисторы в режиме постоянных напряжений и токов ....................................
3. Транзисторные ключевые каскады ....................................................................
4. Схемы с логическими элементами ...................................................................
5. Расчет схем с оптоэлектронными приборами.....................................
Перечень ссылок ..............................................................................................
Приложение Таблица соответствия зарубежных интегральных микросхем микросхемам производства СНГ...........................

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Компьютерная электроника» является одной из основных дисциплин в области аппаратной подготовки студентов, которые обучаются по направлениям «Компьютерная инженерия», «Информационная безопасность».

Целью практических занятий есть закрепление теоретического материала, изученного на лекциях и развитие навыков:

– анализа распределения токов и напряжений в диодных и транзисторных схемах;

– применения логических элементов технологий КМОП и ТТЛ (и ее модификаций) для реализации логических функций, управления разной нагрузкой;

– проектирования схем преобразователей уровней цифровых сигналов;

– применения оптоэлектронных приборов.

Материалы для каждого занятия содержат основные вопросы теории по темы занятия, примеры решения аудиторных задач и варианты задач для решения во внеаудиторное время. Степень подготовленности к занятию оценивается с помощью контрольных вопросов и задач по темы занятия.

В задачах используются реальные диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, для которых есть большое количество справочных материалов как в библиотеке ХНУРЕ, так и в ресурсах Internet.

Полученные знания будут необходимые во время изучения дисциплин, связанных с аппаратными средствами компьютерных технологий.

1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ель занятия

Освоить методику расчета схем с полупроводниковыми диодами, определения параметров диодов по ВАХ.

етодические указания для самостоятельной подготовки к занятию

Выучить разделы дисциплины, связанные с принципом работы полупроводниковых диодов [3,4,8].

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор как правило с одним электрическим переходом и двумя выводами. Рассмотрим диод с электронно-дырочным (p-n) переходом, который разделяет p– и n-области кристалла полупроводника.

Вольт-амперная характеристика(ВАХ) диода описывается выражением

, (1.1)

где U_Д – напряжение на p-n переходе;

φ_Т = kТ/q – тепловой потенциал, который равен контактной разности потенциалов φ_к на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т=300 К, φ_т =0.025 В);

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

q – заряд электрона;

I₀ – обратный ток p-n перехода, образованный за счет неосновных носителей. Температурное изменение I₀ определяется известной зависимостью

, (1.2)

где I₀ – значение теплового тока при комнатной температуре Т₀ = 300 К;

δТ – значение увеличения температуры, которое соответствует удвоению значения теплового тока. Значение δТ зависит от материала полупроводника и составляет приблизительно 10 К для германия и 7 К для кремния.

При отрицательных напряжениях порядка 0.1... 0.2В в формуле (1.1) экспонентной составляющей можно пренебречь (е ^{– 4} ≈ 0.02), при положительных напряжениях, превышающих 0.1 В, можно пренебречь единицей (е ⁴ ≈ 54.6) поэтому ВАХ, описываемая этими соотношениями, будет иметь вид, приведенный на рис.1.1,а.

Рисунок 1.1 – Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика реального диода имеет вид, приведенный на рис.1.1, б (сплошная линия). Из нее следует, что при определенном значении обратного напряжения U_обр = U_проб начинается лавиноподобный процесс нарастания тока I_обр, что вызывает электрический пробой p‑ n перехода (отрезок АВ на рис.1.1,б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки А). Такой процесс нарастания тока I_обр характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n перехода наступает практически одновременно с началом лавиноподобного процесса нарастания тока I_обр. Электрический пробой обратим, то есть после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной области ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход.

Полупроводниковый диод характеризуется статическими и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, которые легко определяются по ВАХ. Дифференциальное сопротивление r_Д численно равно отношению бесконечно маленького увеличения напряжения к соответствующему увеличению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как котангенс угла между касательной в рассмотренной рабочей точке ВАХ диода и осью абсцисс (штриховая линия на рис 1.1,б с углом наклона β):

r_Д = d/d ≈ δU/δI = (m/m)ctg β, (1.3)

где δU и δI – конечные приращения напряжения и тока близ рабочей точки Е;

m и m – масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление R_ст численно равняется отношению напряжения на элементе U_Е к току, который протекает через него, І_Е (см. рис. 1.1,б). Это сопротивление равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной с начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

Rст = U_Е/I_Е = (m/m) ctg a. (1.4)

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R_ст может быть меньшим, или большим значения r_Д.

Некоторые типы полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды. Применяются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный. Выпpямительные диоды pазличают по материалу, который используется для p-n перехода (германий , кремний и др.), а также, по допустимому значению прямого тока (диоды маленькой, средней и большой мощности).

Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, то есть в устройствах формирования импульсных сигналов, а также в ключевых и логических схемах. Импульсные диоды, как правило, имеют маленькую площадь электрического перехода. Это позволяет существенным образом снизить емкость перехода (не выше единиц пикофаpад), что в особенности важно для уменьшения времени переходных процессов в диоде. Однако вследствие маленькой площади перехода импульсные диоды характеризуются низкой допустимой мощностью (20-30 мвт).

Полупроводниковый стабилитрон. Это диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является область пробоя p-n перехода при его обратном включении. Стабилитроны используются для стабилизации, фиксации уровней напряжений.

1.3 Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличаются ВАХ p-n перехода и реального диода?

2. Какие виды пробоя p-n перехода существуют и в чем их отличие?

3. Определите величину тока через p-n переход при 20°С, если напряжение на переходе 0.6 В, а обратный ток 1мка.

4. Опишите особенности диодов Шоттки.

5. Назовите основные параметры полупроводниковых диодов.

6. Какая отличительная особенность импульсных диодов?

7. Благодаря чему у выпрямительных диодов большие значения максимально допустимого прямого тока ?

8. Опишите принцип действия стабилитрона.

9. Назовите основные параметры стабилитронов.

римеры аудиторных задач

Задача 1. Пользуясь ВАХ полупроводникового диода (рис.1.2), определите его статическое сопротивление R_СТ при включении в прямом и обратном направлениях, если к диоду приложенные следующие напряжения: U_пр = 0.6В, U_обр = 40В при температуре окружающей среды t = 25°С.

Рисунок 1.2 – ВАХ полупроводникового диода

Решение. По ВАХ находим, что при U_пр = 0,5 В прямой ток диода I_пр = 6 мА и при U_обр = 40 В обратный ток диода I_обр = 2 мкА. Итак, R_пр = U_пр/I_пр = 0,5/6∙ 10^-3 = 83 Ом; R_обр = U_обр / I_обр = 40/2∙ 10^-6 = 20 МОм.

Задача 2. Определите дифференциальное сопротивление диода, ВАХ которого приведена на рис.1.2 для U_пр = 0,4 В , U_пр = 0,5 В при t = 25°С.

Решение. r_Д = δU/δI. На ВАХ возьмем небольшие увеличения напряжения в районе точек, которые отвечают заданным напряжениям U_пр и определим соответствующие им увеличения тока:

при U_пр = 0,4 В δU = 0,05 В, δI = 1 мА и r_Д = δU/δI =0,05В/1мА = 50 Ом;

при U_пр = 0,5 В δU = 0,05 В, δI = 1,5 мА и r_Д = δU/δI = 0,05/1,5мА= 33 Ом.

Задача 3. Чему равно выходное напряжение в схеме на рис.1.3, если диод идеальный, а U_вх = 20 В?.

Рисунок 1.3 – Схема к задаче 3

Решение. В связи с тем, что на диод подано обратное напряжение, а обратный ток идеального диода равняется нулю, то все напряжение источника питания U_вх падает на диоде, то есть U_вых = 20 В.

Задача 4. Определите выходное напряжение в схеме на рис.1.4, если при температуре Т=300 К в схеме используется кремниевый диод, который имеет обратный ток I₀ = 20 мкА, а U_вх = 30 В.

Рисунок 1.4 – Схема к задаче 4

Решение. Поскольку диод включен в прямом направлении, то его сопротивление будет маленьким и ток в цепи будет определяться в основном сопротивлением резистора R_н = 50 кОм, то есть I = U_вх/R_н = 30/(50·10³) = 0,6 мА. Выходное напряжение можно определить из уравнения тока полупроводникового диода (1.1), решив его относительно U.

Задача 5. Определите, на какой частоте емкостное сопротивление диода равняется R_обр, вследствие чего произойдет заметное увеличение обратного тока. Параметры диода: R_пр = 5 Ом, R_обр = 2 МОм, C = 10 пф.

Решение. Емкостное сопротивление диода x_с = 1/(2πfС). Из условия x_с = R_обр находим

f = 1/(2π×C×R_звор) = 1/(2π×10×10^-12×2×10⁶)= 7961 Гц.

Задача6.В схеме на рис.1.5 применен стабилитрон с следующими параметрами: U_ст = 10 В, I_{ст max} = 13 мА, I_{ст min} = 3 мА, сопротивление нагрузки R_н = 2кОм, сопротивление ограничительного резистора R = 1 кОм. Необходимо определить допустимый диапазон изменения входного напряжения (U_{вх min} < U_вх < U_{вх max}).

Рисунок 1.5 – Схема к задаче 6

Решение. Для данной схемы справедливо: U_вх = U_ст + R(I_ст + I_н). Так как I_н = U_ст / R_н, то U_вх = U_ст (1+R/R_н) +R× І_ст. После подстановки значений минимального и максимального токов стабилитрона получаем: U_{вх max} = 28 В, U_{вх min} = 18 В.

Задача 7.На вход схемы (рис.1.6) подается синусоидальное напряжение амплитудой U_вх = 10В. Сопротивление открытого диода R_пр = 100 Ом, закрытого R_обр = 400 кОм, R_н = 1кОм. Определите амплитуду напряжения на выходе во время действия положительной и отрицательной полуволн входного напряжения.

Рисунок 1.6 – Схема к задаче 7

Решение. Для положительной полуволны входного напряжения диод открыт, и практически все входное напряжение выделяется на сопротивлении нагрузки R_н:

.

Для отрицательной полуволны входного напряжения диод закрывается и напряжение на выходе составит:

Задача 8. На вход схемы (рис.1.6) подается напряжение, форма которого показана на рис.1.7а. Постройте диаграмму выходного напряжения. Диод считать идеальным.

Решение. С учетом того, что на интервале [t₁; t₂] на диод подается обратное напряжение, диод будет закрыт и потому на этом участке U_вых = 0 В. Форма выходного напряжения показана на рис.1.7б.