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 UД – напряжение на p-n переходе;

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

Т – значение увеличения температуры, которое соответствует удвоению значения теплового тока. Значение Т 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 Uобр = Uпроб начинается лавиноподобный процесс нарастания тока Iобр, 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 Iобр 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 Iобр. Электрический пробой обратим, то есть после уменьшения напряжения Uобр 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 rД 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 ):

 

rД = d/d U/I = (m/m)ctg , (1.3)

 

где U и I – конечные приращения напряжения и тока близ рабочей точки Е;

m и m – масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление Rст численно равняется отношению напряжения на элементе UЕ к току, который протекает через него, ІЕ (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 = UЕ/IЕ = (m/m) ctg a. (1.4)

 

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

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 RСТ при включении в прямом и обратном направлениях, если к диоду приложенные следующие напряжения: Uпр = 0.6В, Uобр = 40В при температуре окружающей среды t = 25°С.

Рисунок 1.2 – ВАХ полупроводникового диода

 

Решение. По ВАХ находим, что при Uпр = 0,5 В прямой ток диода Iпр = 6 мА и при Uобр = 40 В обратный ток диода Iобр = 2 мкА. Итак, Rпр = Uпр/Iпр = 0,5/6 10-3 = 83 Ом; Rобр = Uобр / Iобр = 40/2 10-6 = 20 МОм.

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

Решение. rД = U/I. На ВАХ возьмем небольшие увеличения напряжения в районе точек, которые отвечают заданным напряжениям Uпр и определим соответствующие им увеличения тока:

при Uпр = 0,4 В U = 0,05 В, I = 1 мА и rД = U/I =0,05В/1мА = 50 Ом;

при Uпр = 0,5 В U = 0,05 В, I = 1,5 мА и rД = U/I = 0,05/1,5мА= 33 Ом.

 
 

Задача 3. Чему равно выходное напряжение в схеме на рис.1.3, если диод идеальный, а Uвх = 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 Uвх падает на диоде, то есть Uвых = 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 Uвх = 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 Rн = 50 кОм, то есть I = Uвх/Rн = 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 Rобр, вследствие чего произойдет заметное увеличение обратного тока. Параметры диода: Rпр = 5 Ом, Rобр = 2 МОм, C = 10 пф.

Решение. Емкостное сопротивление диода xс = 1/(2fС). Из условия xс = Rобр находим

 

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

 

 
 

Задача6.В схеме на рис.1.5 применен стабилитрон с следующими параметрами: Uст = 10 В, Iст max = 13 мА, Iст min = 3 мА, сопротивление нагрузки Rн = 2кОм, сопротивление ограничительного резистора R = 1 кОм. Необходимо определить допустимый диапазон изменения входного напряжения (Uвх min < Uвх < Uвх max).

 

Рисунок 1.5 – Схема к задаче 6

 

Решение. Для данной схемы справедливо: Uвх = Uст + R(Iст + Iн). Так как Iн = Uст / Rн, то Uвх = Uст (1+R/Rн) +R× Іст. После подстановки значений минимального и максимального токов стабилитрона получаем: Uвх max = 28 В, Uвх min = 18 В.

 

 
 

Задача 7.На вход схемы (рис.1.6) подается синусоидальное напряжение амплитудой Uвх = 10В. Сопротивление открытого диода Rпр = 100 Ом, закрытого Rобр = 400 кОм, Rн = 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 Rн:

.

 

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 Uвых = 0 В. Форма выходного напряжения показана на рис.1.7б.