Алгебра и начало анализа 10 11 класс гдз алимов проверь себя;pdf

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
(рабочая учебная программа дисциплины)
ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Направление подготовки
221000 «Мехатроника и робототехника»
Профиль подготовки
Наладка, программирование и
эксплуатация мехатронных и
робототехнических систем
Квалификация (степень)
бакалавр
Форма обучения
дневная
Составители программы
Зарак Т.В., доцент кафедры «Оборудования и автоматизации машиностроения», к.т.н.,
доцент
.
Кононенко Р.В., сотрудник НИЧ, аспирант
Иркутск
2013 г.
1.Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине
1.1. Вид деятельности выпускника
Дисциплина охватывает круг вопросов относящихся к виду деятельности
выпускника:
проектно-конструкторская;
эксплуатационная;
1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника
В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной
деятельности выпускника:
Бакалавр может осуществлять следующие профессиональные задачи в соответствии
с видами профессиональной деятельности и профилизацией подготовки:
Проектно-конструкторская деятельность :
На этапе эскизного проектирования (Эскизный проект - «ЭП»):
- разработка варианта возможного принципиального решения по структуре,
функционированию, конструкции, алгоритмическому и программному обеспечению
изделия;
- патентные исследования;
- разработка технологической части варианта с обоснованием его технологической
реализуемости;
- оценка разрабатываемого варианта изделия по экономической эффективности и
необходимому метрологическому обеспечению;
- обоснование предлагаемых мер по обеспечению безопасности эксплуатации
варианта изделия.
На этапе технического проектирования (Технический проект - ТП»):
- разработка проектной конструкторской документации технического проекта (ТП)
по составным частям изделия;
- разработка проектной программной документации технического проекта (ТП) по
составным частям изделия;
На этапе выпуска рабочей документации опытного образца, его изготовления и
предварительных испытаний (опытный образец, «РКД» и «РПД»):
- разработка рабочей конструкторской документации по составным частям
опытного образца изделия;
- выпуск эксплуатационной документации составных частей опытного образца
изделия;
- проведение предварительных испытаний составных частей опытного образца
изделия
по заданным программам и методикам.
1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС
Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у
обучающегося следующие компетенции:
а) общекультурные (ОК)
владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу,
восприятию
информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК–1);
- имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-5);
- способен использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-9);
1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС
После освоения программы настоящей дисциплины студент должен:
Знать:
Импульсное и цифровое представление информации. Системы счисления.
Разновидности триггеров в интегральном исполнении. Понятие последовательностных
устройств и их разновидности. Устройства сопряжения с объектом для цифровых систем.
Уметь:
проводить анализ и разработку структурных и принципиальных схем современных
электронных устройств; выполнять расчеты электронных схем, включая средства
автоматизированного проектирования; проводить исследования электронных схем с
использованием средств схемотехнического моделирования.
Владеть:
методиками расчета и экспериментального определения параметров электронных
устройств.
2.
Цели и задачи освоения программы дисциплины
Цель изучения дисциплины является: изучение основных типов цифровых
устройств, принципов и методов их построения, приобретение практических навыков
построения цифровых устройств с требуемыми функциональными возможностями.
Основными задачами изучения дисциплины являются:
 изучение функционального состава и особенностей применения современных
цифровых устройств;
 изучение принципов построения функциональных узлов вычислительных машин;
 освоение методов анализа и синтеза типовых цифровых устройств.
3. Место дисциплины в структуре ООП
Для изучения дисциплины необходимо освоение содержания дисциплин:
- физика;
- математика;
- информатика.
Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания
дисциплины, будут использоваться в:
- автоматизация технологических процессов и производств;
- проектирование автоматизированных систем;
- технические средства автоматизации.
- основы цифровой электроники
4.
Основная структура дисциплины
Вид учебной работы
Трудоемкость в часах
Семестр № 3
Всего (ЗЕТ)
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия, в том числе:
лекции
лабораторные работы
практические/семинарские занятия
Самостоятельная работа (в том числе курсовое
проектирование)
Вид промежуточной аттестации (итогового
контроля по дисциплине), в том числе курсовое
проектирование
216 (6)
102
34
51
17
69
216
102
34
51
17
69
экзамен
Экзамен (45)
5.
Содержание дисциплины
5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины
1. Введение в дисциплину. Цели и задачи дисциплины.
Полупроводниковая электроника существенно изменила мир. Многие вещи, которые
долгое время не сходили со страниц произведений фантастов стали возможны. Чтобы
знать, как работают и чем уникальны полупроводниковые приборы, необходимо
понимание различных физических процессов, протекающих внутри.
2. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления.
В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы.
Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их
электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и
распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии
электрического поля и наоборот. Под действием каких-либо сил, в том числе и со стороны
электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов).
Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и
характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).
3. Полупроводниковые диоды.
Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает
явление диффузии, которое стремится уровнять концентрации частиц по всему объёму.
Самое интересное здесь будет происходить на границе,
гдерекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счёте около
границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд
скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят
свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какойто заряд.
4. Биполярные транзисторы.
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из
типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным
слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому
способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный
тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в
отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов,
носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»).
5. Полевые транзисторы.
Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в
которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют
каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление).
Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные
полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять
проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор —
это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само
слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На
рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.
6. УСИЛИТЕЛИ
Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах
которого используется явление электрической
проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может
представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в
составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного
прибора и т. д.
5.2 Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем
дисциплины
1. Введение в дисциплину. Цели и задачи дисциплины.
2. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления.
3. Исследование полупроводникового выпрямителя.
4. Биполярные транзисторы.
5. Полевые тразисторы.
6. Усилители
5.3
Краткое описание лабораторных работ
1. Освоение интерфейса ElectronicsWorkbench
2. Исследование p-n перехода, на примере полупроводникового прибора – диода
3. Исследование полупроводникового выпрямителя
4. Исследование биполярного транзистора
5. Исследование полупроводникового стабилитрона
6. Исследование полупроводникового тиристора.
5.3.1
Перечень рекомендуемых лабораторных работ
1. Освоение интерфейса ElectronicsWorkbench
2. Исследование p-n перехода, на примере полупроводникового прибора – диода
3. Изучение характеристик диодного моста
4. Исследование биполярного транзистора
5. Исследование полупроводникового стабилитрона
6. Исследование полупроводникового тиристора.
5.3.2 Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторная работа №1.
«Знакомство с ElectronicsWorkbench».
Цель работы: Ознакомление и получение практических навыков работы в
системе проектирования электрических схем
1. Общие сведения:
ElectronicsWorkbench – современная универсальная программа для расчета
электрических схем и цепей как постоянного, так и переменного тока. Она позволяет без
наличия специального оборудования и учебных стендов рассмотреть особенности и
основные свойства тех или иных соединений, закрепить знания основ электроники,
электротехники и ТОЭ. Эта программа является хорошим пособием для конструирования
приборов и устройств электронной промышленности.
2. Выполнение работы:
Внешний интерфейс ElectronicsWorkbench показан на рис.1.1.
Главное меню.
Стандартное меню вызова справки или помощи
Содержит
стандартный
набор команд,
таких как:
Позволяет быстро
переключаться между
окнами, а также
включать описание
данного файла.
New
Содержит
стандартный
набор команд
редактирования:
Open
Copy
Save
Cut
Save as
Paste
Export
Delete
Import
Select all
Print
CopyasBitmap
Эти команды
Содержит команды,
позволяющие
выполнять различные
операции с объектами
Workbench, а также
управляющие
свойствами этих
объектов:
Flip horizontal
Содержит команды,
позволяющие
анализировать
графические
зависимости
измеряемых величин
от времени, оценивать
max и min значения,
производить
различные анализы:
Flip vertical
Activate
Rotate
Zoom in
Pause
Stop
Рис.1.1. Внешний интерфейс ElectronicsWorkbench
Стандартное меню (рис.1.2.).
Содержит стандартные кнопки создания (new), открытия (open), сохранения (save),
печати (print) и редактирования (cut, copy, paste) документа ElectronicsWorkbench, а также
стандартные команды для работы с окном программы (zoomin, zoomout, scalefactor) и
вызов помощи (help), их работа ничем не отличается от других приложений. Но при этом
стандартное меню ElectronicsWorkbench дополнено некоторыми часто используемыми
функциями, такими как поворот (rotate), расположение вертикально(flipvertical) и
горизонтально (fliphorizontal), создание подсхем (subcircuit), вызов окна сравнительного
анализа (displaygraphs), меню свойства объекта (componentproperties).
Paste
Component Properties
Copy
Display Graphs
Cut
Hel
Subcircuit
Scale Factor
Fliphorizonta
Ne
Zoomin
Flipvertical
Open
Zoomout
Rotate
Save
Print
Рис.1.2. Стандартное меню
Панель форматирования (рис.1.3.).
Панель форматирования ElectronicsWorkbench содержит необходимый набор
устройств и элементов, необходимых для исследования и сборки цепей постоянного и
переменного тока. В общем, она имеет такой набор закладок:
Digital ICs
Indicators
Mixed ICs
Controls
Favorites
Analog ICs
Sources
Miscellaneous
Logic Gates
Basic
Instrument
Digital
Diod
Transisto
Рис.1.3. Панель форматирования
Рассмотрим подробнее эту панель.


Favorites – содержит созданные ранее подсхемы, позволяет включать и
редактировать их.
Sources(рис.1.4) – содержит необходимые ресурсы, такие как заземление; элементы
питания; контроллеры гармонических сигналов, п – импульсов, т – импульсов,
одиночных коротких импульсов; источники питания средней и высокой частоты.
Рис.1.4. Панель “Sources” (Источники)

Basic (рис.1.5.) – панель базовых элементов, таких как резисторы (постоянные и
реостаты), емкости (постоянные , переменные, полярные), катушки индуктивности
(постоянные, переменные), трансформаторы (силовые, нелинейные), а также
электоромагнитное реле и т.п.
Рис.1.5. Панель “Basic” базовых элементов

Diodes(рис.1.6.) содержит основные типы полупрводниковых диодов:
выпрямительные, стабилитроны, свето- и фотодиоды, триоды, а также полный
диодный мостик.
Рис.1.6. Панель “Diodes” диодов различных типов и диодных сборок

Transistor(рис.1.7.) – содержит основные типы транзисторов, использующихся в
электронике (PNP, NPN, n – канальные, р – канальные, трех- и четырехвыходные).
Рис.1.7. Панель “Transistors” транзисторов различных типов

AnalogIcs(рис.1.8.) – содержит различные аналоговые устройства, такие как
операционные усилители (3-х, 5-и, 7-и и 9-и выводные) и компаратор.
Рис.1.8. Панель аналоговых устройств

MixedIcs(рис.1.9) – содержит аналого-цифровые конверторы, цифро-аналоговые
конверторы (по току и по напряжению), там же – мультивибратор
(моностабильный).
Рис.1.9. Панель аналогово – цифровых конверторов

DigitalIcs(рис.1.10) – цифровые программируемые микросхемы, кратность которых
74хх, 741хх, 742хх, 743хх, 744хх и 4ххх.
Рис. 1.10. Панель цифровых программируемых микросхем

LogicGates(рис.1.11.) – содержит различные логические устройства сравнения
(двухвыводные), буфера (двух- или трехвыводные), устройства, выполняющие
логические математические операции.
Рис.1.11. Панель логических устройств

Indicators (рис.1.12) – содержит индикаторы сигналов (лампа накаливания,
одновыводной красный индикатор), амперметр и вольтметр, семи сегментные
дисплеи, зуммер.
Рис.1.12. Панель индикаторов сигналов

Controls (рис.1.13.) – содержит всевозможные контролирующие устройства, к
примеру интегратор (по напряжению), дифференциатор (по напряжению) и другие.
Рис.1.13.

Miscellaneous (рис.1.14) – содержит дополнительные устройства, необходимые для
работы с ElectronicsWorkbench: предохранитель (по току), двигатели, триод,
конверторы, а также набор функций, позволяющий оформлять документ
ElectronicsWorkbench и вносить произвольный текст в файл.
Рис. 1.14.

Instruments(рис.1.15.) – содержит необходимые приборы, позволяющие оценить
работу собранной цепи, и предназначенные для других целей: мультиметр
(измеряет любые электрические величины), функциональный генератор,
осциллограф, генератор слов, логический анализатор и конвертор.
Рис.1.15. Панель измерительных приборов
Для того, чтобы включить собранную цепь, необходимо нажать кнопку пуска,
находящуюся в левом вернем углу экрана. Для того, чтобы приостановить выполнение
процесса, необходимо нажать кнопку Pause, находящуюся под кнопкой пуска. Для
остановки процесса необходимо переключить кнопку пуска в соответствующее
положение.
Рис.1.16. Кнопки запуска и останова работы схемы
После ознакомления с данной лабораторной работой объяснить преподавателю основные
элементы ElectronicsWorkbench и способы работы с данной программой и приступить к
выполнению практических лабораторных работ.
Лабораторная работа №2
«Исследование p-n перехода, на примере полупроводникового прибора – диода»
Цель работы: Исследовать полупроводниковый диод.
1. Общие сведения:
Полупроводниковые выпрямительные диоды являются приборами с односторонней
проводимостью, обусловленной созданием в них р-n-перехода. Изготовляются
выпрямительные диоды главным образом из германия и кремния. Диоды изготавливают
путём создания в монокристаллическом полупроводнике двух граничащих между собой
областей с электронной (n - типа) и дырочной (p - типа) проводимостью. За счёт резкого
перепада концентрации носителей заряда различных знаков на границе областей
образуется тонкий слой обладающий вентильными свойствами и называемый электроннодырочным переходом или p-n-переходом.
Если к выводам диода приложить внешнее напряжение, через диод протекает ток,
величина которого оказывается зависящей от величины и полярности приложенного
напряжения. Применительно к полярности приложенного напряжения различают прямое
и обратное включение диода.
Для идеального диода (реальный диод характеризуется наличием объемного
сопротивления) полный ток перехода равен сумме дырочного и электронного тока и
определяется выражением:
 eU

I  I нас  e kT  1


(2.1.)
где Iнас — ток насыщения, определяемый свойствами полупроводника и концентрацией
носителей в нем, T – абсолютная температура, К, U – приложенное к выводам диода
напряжение (с учётом знака), е — основание натуральных логарифмов; k — постоянная
Больцмана, равная 1,38×10-23 Дж/град.
Завсимость (1.1.) представляет собой главную характеристику диода – вольтамперную
характеристику (рис.2.1). Для удобства изображения масштабы для прямого и обратного
токов приняты разные.
Для реальных диодов её определяют на практике. Исследование вольтамперной
характеристики диодов возможно осуществить с использованием схем С9_011 и С9_012,
или с помощью осциллографа по схеме С9_014.
Рис.2.1. Вольт-амперная характеристика идеального диода.
Обратные ветви характеристик (см. рис.2.2) реальных диодов различаются большей
величиной обратного тока, так как кроме теплового тока через обратно смещенный р-nпереход по поверхности перехода протекает также ток утечки, возрастающий по мере
роста обратного напряжения.
Рис.2.2. Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов.
Ток диода в прямом направлении можно вычислить по выражению:
I пр 
E  U 
пр
R
,
(2.2.)
где Iпр – ток диода в прямом направлении, E – напряжение источника питания, Uпр –
напряжение на диоде в прямом направлении.
Ток диода в обратном направлении (нужно поменять полярность диода в схемах С9_011
и С9_012) вычисляется по выражению:
E  U об 
I об 
R
,
(2.3)
где Iоб – ток диода в обратном направлении, Uоб – напряжение на диоде в обратном
направлении.
Измерения проводят, меняя напряжение источника питания. При этом используется
только один мультиметр, как амперметр и вольтметр.
Такой же способ измерения при использовании амперметра и вольтметра показан в
схеме С9_013.
Кроме того, в реальных диодах увеличение обратного напряжения может происходить
только до значений, меньших пробивного напряжения р-n-нерехода (в справочных данных
приводят допустимые обратные напряжения диода). Чаще пробивное наряжение вызывает
так называемый тепловой пробой, который возникает из-за недостаточного теплоотвода
от перехода. Температура перехода возрастает и, следовательно, возрастает концентрация
неосновных носителей, создаваемых в результате тепловой генерации. Это вызывает рост
обратного тока и дополнительный разогрев перехода. Этот процесс, продолжая нарастать,
приводит к значительному перегреву перехода и может разрушить его.
2. Выполнение работы:
Перед выполнением работы узнайте у преподавателя модель Вашего диода.
2.1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод
Откройте файл схемы C9_011.ca4. Сконфигурируйте параметры диода (установите в
схему модель Вашего диода). Включите схему
Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпр при прямом смещении. Поменяйте
местами анод и катод диода и снова запустите схему программной клавишей.
Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите
показания в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы).
Вычислите ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещении по зависимостям (2.2),
(2.3.).
2.2. Измерение тока
Откройте файл схемы C9_012.ca4 . Сконфигурируйте параметры диода (установите в
схему модель Вашего диода). Включите схему. Мультиметр покажет ток диода Iпр при
прямом смещении. Поменяйте местами анод и катод диода и снова запустите схему
программной клавишей.
Теперь мультиметр покажет ток через диод Iоб при обратном смещении. Запишите
показания в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
2.3.Измерение статического сопротивления диода
Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении, используя мультиметр
в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому
подключению. Показания прямого сопротивления различны для разных шкал омметра.
Почему?
2.4. Одновременное измерение тока и напряжения
а) Прямая ветвь вольтамперной характеристики. Откройте файл C9_013.ca4.
Сконфигурируйте параметры диода (установите в схему модель Вашего диода).
Включите схему
Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В,
0.5 В, 0 В запишите значения напряжения тока Iпр диода в таблицу 1.
б) Обратная ветвь вольтамперной характеристики. Поменяйте местами анод и катод
диода. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В, 10 В,
15 В, 20 В запишите значения напряжения тока Iоб диода в таблицу 2.
в) По полученным данным постройте графики Iпр= f(Uпр) и Iоб=f(Uоб).
г) Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4мА и оцените
дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной.
Проделайте ту же процедуру для Iпр =0.4 мА и Iпр =0.2 мА. Ответы запишите в раздел
"Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном
напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты
экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы).
е) Вычислите сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4мА по формуле:
U
Rст  пр
I пр
,
и занесите результат в
раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы).
ж) Определите напряжение изгиба. Занесите результат в
раздел "Результаты
экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы) . Напряжение изгиба
определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом
направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.
2.5. Получение ВАХ на экране осциллографа
Откройте файл схемы C9_014.ca4 . Сконфигурируйте параметры диода (установите в
схему модель Вашего диода). Включите схему.
На вольтамперной характеристике, появившейся на экране осциллографа, по
горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по
вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1мВ соответствует 1 мА). Обратите
внимание на изгиб вольтамперной характеристики.
Измерьте и запишите
в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы) величину напряжения изгиба.
3. Исследование работы полупроводникового диода при подключении к переменному
напряжению
Соберите схему представленную на рис.2.3. Сконфигурируйте параметры диода
(установите в схему модель Вашего диода). Один канал осциллографа подключите к
аноду диода, другой к его катоду. Точки подключения каналов показаны на рис2.3.
Сконфигурируйте цвета отображения напряжения в различных каналах (конфигурируется
установкой цвета соответствующего проводника). Включите схему.
Рис.2.3. Схема исследования поведения диода при подключении переменного
напряжения.
Посмотрите на экране осциллографа характер напряжения на аноде и катоде диода.
Сделайте вывод по проведённым наблюдениям.
Увеличивая амплитуду подаваемого генератором напряжения на источнике питания
определите величину напряжения пробоя диода и запишите в раздел "Результаты
экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
Поменяйте анод и катод диода местами и повторите п.п. 1 и 2
Сделайте вывод об обратном включении диода.
Подключите провод питания на отрицательный выход источника питания и снова
выполните п.п. 1-2.
Сделайте вывод.
4. Результаты экспериментов
Модель диода:__________
п.2.1:
Напряжение прямого смещения: _________
Расчётный ток Iпр =
Напряжение обратного смещения: _________
Расчётный ток Iоб =
п.2.2:
токIпр =
токIоб =
п.2.3:
Значеня статического сопротивления
при прямом включении_________ Ом
при обратном включении ________Ом
Вывод по результату измерения статического сопротивления (см.п.2.3.).
п.2.4:
Таблица 1. Результат измерений прямой ветви вольтамперной характеристики
Е,B
Uпр, мВ
Iпр,мА
5
4
3
2
1
0.5
0
Таблица 2. Результат измерений обратной ветви вольтамперной характеристики
Е,В
Uоб,мВ
Iоб,мА
0
5
10
15
Величина
дифференциального
сопротивления
прямой
ветви
вольтамперной
характеристики:
приIпр = 4мА ____________ Ом;
приIпр = 0,4мА ____________ Ом;
приIпр = 0,2мА ____________ Ом;
Величина дифференциального сопротивления
характеристики:
при Uобр = 5В ____________ Ом;
обратной
ветви
вольтамперной
Сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4мА: _________________ Ом.
Величина напряжения изгиба: __________ В
5. Содержание отчёта
Отчёт по работе должен содержать:
Цель работы;
Результаты экспериментов по п.п. 2.1-2.3 работы;
Таблицы измеренных значений прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики
(п.2.4.);
График вольт-амперной характеристики;
Вывод по характеру графика вольт-амперной характеристики;
На графике выполнить определение дифференциальных сопротивлений, напряжения
изгиба.
Вывод по характеру преобразования переменного напряжения диодом.
Величину напряжения пробоя диода. Величину падения напряжения на диоде при
подключении переменного напряжения.
Сопоставить падения напряжения на диоде при подключении переменного напряжения с
падением напряжения для постоянного тока. Сделать вывод по проведённому
сопоставлению.
6. Контрольные вопросы
1. В чём назначение полупроводникового диода?
2. Каковы два типа носителей заряда в диодах?
3. В чём причина возникновения обратного тока?
4. Почему обратный ток диода существенно меньше прямого при одном и том же
напряжении?
5. В чём необходимость дифференциального сопротивления?
Лабораторная работа №3
«Исследование полупроводникового выпрямителя»
Цель работы: Анализ процессов в схемах однополупериодного и двухполупериодного
выпрямителей.
1. Общие сведения:
Во многих электрических устройствах используется энергия постоянного тока. К числу
таких устройств относятся двигатели постоянного тока, радиотехнические устройства,
установки для электролиза и др. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью выпрямителей, использующих вентильные свойства
электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Основные элементы выпрямителя:
1) трансформатор, изменяющий величину получаемого от сети переменного напряжения в
соответствии с необходимой величиной напряжения на выходе выпрямителя;
2) вентильная группа, преобразующая переменный ток в постоянный; '
3) сглаживающий фильтр, необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного
напряжения.
Кроме перечисленных элементов выпрямитель может иметь устройства для стабилизации
выпрямленного напряжения, а также для регулирования (изменения) выпрямленного
напряжения.
По числу фаз первичной обмотки трансформатора различают выпрямители однофазного и
трехфазного тока.
Основные схемы выпрямителей однофазного тока:
однополупериодная;
двухполупериодная с нулевым выводом трансформатора;
мостовая.
Выбирают диоды и трансформатор выпрямителя по его основным параметрам, к которым
относят:
а)
выпрямленное напряжение U0 и ток I0 в нагрузке, определяемые требованиями
потребителя;
б) эффективные значения токов I1 , I2 и э. д. с. Е1 , Е2 первичной и вторичной обмоток
трансформатора, а также типовая мощность трансформатора Рт.
в) максимальное обратное напряжение на вентиле, средний и максимальный токи
диода.
1.1. Однополупериодная схема
Простейшей выпрямительной схемой является однополупериодная схема (рис. 3.1, а).
Рис.3.1. Схема (а) и характеристики (б-д) однополупериодного выпрямителя.
Она содержит трансформатор Тр, в цепь вторичной обмотки которого включены
последовательно вентиль В и сопротивление нагрузки Rн. Рассмотрим работу схемы.
При идеальном трансформаторе мгновенное значение э. д. с. e2 вторичной обмотки
трансформатора совпадает по величине и форме с напряжением на концах вторичной
обмотки и2. При синусоидальном напряжении и1 питающей сети напряжение на концах
вторичной обмотки и2 также синусоидально. Кривые напряжений и1 и и2 показаны на
рис.3.1, б .
Так как в цепь вторичной обмотки трансформатора последовательно с нагрузкой включен
идеальный диод с нулевым сопротивлением в проводящем направлении, то при
положительной полуволне напряжения (« + » на аноде вентиля, «—» на катоде) в нагрузке
будет протекать ток, мгновенное значение которого:
i0 
u2
Rн
(3.1.)
При обратной полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора диод будет
иметь бесконечно большое сопротивление и ток в нагрузке будет равен нулю. Таким
образом, ток в нагрузке протекает только в одном направлении, т. е. схема действительно
обладает выпрямляющими свойствами. Форма кривой тока показана на рис.3.1 в.
Когда диод проводит ток, к нагрузке прикладывается напряжение, представляющее собой
положительные полуволны синусоиды вторичной обмотки трансформатора.
Если вентиль не проводит тока, напряжение на нагрузке равно нулю и напряжение
вторичной обмотки трансформатора оказывается приложенным между анодом и катодом
диода. Это напряжение имеет обратную полярность, т. е. анод диода становится
отрицательным относительно катода. Максимальное значение обратного напряжения
между анодом и катодом вентиля (рис. 3.1, г) равно максимальному значению напряжения
вторичной обмотки трансформатора
В однополупериодной схеме трансформатор, нагрузка и вентиль включены
последовательно, в связи с чем мгновенные значения тока в этих элементах схемы
совпадают
i а  i2  i0 
u2
Rн
(3.2.)
Приведенная на рис.3.1 форма кривой тока показывает, что ток схемы пульсирует. Форма
кривой тока первичной обмотки трансформатора показана на рис.3.1. д.
Мощности на которые следует рассчитывать первичную и вторичную обмотки
трансформатора, не равны друг другу и много больше мощности, отдаваемой в нагрузку.
В связи с неравенством мощностей обмоток габаритные размеры трансформатора
(сечение сердечника, размер окна) определяют по так называемой типовой мощности.
Отношение типовой мощности трансформатора к мощности нагрузки характеризует
степень его использования.
Из математики известно, что такую кривую выходного напряжения можно представить в
виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды и частоты.
Постоянная составляющая, т. е. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке,
была определена ранее. Из переменных составляющих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты.
Для характеристики степени сглаженности напряжения на нагрузке вводится понятие
коэффициента пульсации напряжения.
Отношение амплитуды основной гармоники к среднему значению выпрямленного
напряжения на нагрузке называется коэффициентом пульсации:
q
U ОГ
U0
.
(3.3.)
Недостатки однополупериодной схемы:
Большой коэффициент пульсаций
Низкая частота основной гармоники выпрямленного напряжения
Большие размеры трансформатора, вызванные плохим использованием его обмоток
Вынужденным намагничиванием сердечника постоянной составляющей выпрямленного
тока, и
Большое обратное напряжение на диоде.
В связи с этим однополупериодная схема при работе на активную нагрузку применяется
очень редко.
1.2. Двухполупериодная схема с нулевым выводом
Двухполупериодная схема (рис. 3.2., а) содержит трансформатор Тр, вторичная обмотка
которого имеет дополнительный вывод от средней точки, два диода В1 и В2 и нагрузку
Rн. Эта схема является сочетанием двух однополупериодных схем, работающих на
общую нагрузку.
Рис.3.2. Схема (а) и характеристики (б-е) двухполупериодного выпрямителя с нулевым
выводом
.
На рис.3.2., б показана форма кривых напряжений на верхней и нижней полуобмотках
трансформатора, равных по величине и противоположных по фазе.
В первый полупериод синусоидального напряжения, когда полярность напряжения
трансформатора совпадает с указанной на рис. 3.2, а, вентиль В1 имеет на аноде
положительное напряжение относительно катода, соединенного через нагрузку со средней
точкой вторичной обмотки. На аноде вентиля В2 напряжение отрицательно.
Ток протекает через вентиль В1 и нагрузку в направлении, показанном сплошными
стрелками.
Во второй полупериод полярность напряжения на обмотках трансформатора меняется.
Поэтому ток будет проходить через вентиль В2 и нагрузку. Вентиль В1 в это время
находится под обратным напряжением и тока не пропускает. Ток в нагрузке протекает в
одном и том же направлении в. течение обоих полупериодов. Формы кривой тока и напряжения на нагрузке приведены на рис.3.2. б. Кривая напряжения на нагрузке по величине и
форме повторяет положительные полуволны напряжений вторичных полуобмоток трансформатора.
Следовательно, в данной схеме ток и напряжение на нагрузке по-прежнему сильно
пульсируют (от нуля до максимального значения).
Снижение типовой мощности и лучшее использование трансформатора в
двухполупериодной схеме объясняется чисто переменным током первичной обмотки и
отсутствием намагничивания сердечника трансформатора постоянной составляющей тока
вторичных обмоток. Постоянные составляющие тока этих обмоток создают
намагничивающие силы, направленные встречно, вследствие чего магнитные потоки в
сердечнике трансформатора взаимно компенсируются.
Из рис.3.2.,в видно, что в двухполупериодной схеме кривая выпрямленного напряжения
имеет период повторяемости, равный полупериоду частоты сети.
В двухпериодной схеме трансформатор используется значительно лучше, чем в
однополупериодной, вследствие отсутствия вынужденного намагничивания сердечника
постоянной составляющей тока вторичной обмотки.
Недостатки двухполупериодной схемы:
необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора и симметрирования полуобмоток для обеспечения и21 = и22 ,
наличие двух диодов вместо одного.
Среднее значение выходного напряжения Ud
(постоянная составляющая)
однополупериодного выпрямителя вычисляется по формуле:
Ud = Um / π
(3.4.)
Значение Udдвухполупериодного выпрямителя вдвое больше:
Ud = 2Um / π
(3.5.)
Частота выходного сигнала для любой из схем:
f= 1/T
(3.6.)
При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя в два раза больше,
чем у двухполупериодного. Максимальное обратное напряжение Uмакс на диоде
однополупериодного
выпрямителя
равно
максимуму
входного
напряжения.
Максимальное обратное напряжение Uмакс на каждом диоде двухполупериодного
выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного
максимального значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m и
прямого падения напряжения на диоде Uпр.
Uмакс = U2m - Uпр (3.7.)
Коэффициент пульсаций полупроводниковых выпрямителей снижают путём подключения
конденсатора параллельно нагрузке (ёмкостным шунтированием). Степень сглаженности
выпрямленного напряжения тем выше, чем выше ёмкость конденсатора. Причина такого
влияния емкости объясняется падением комплексного реактивного емкостного
сопротивления:
Xc  1
jC
(3.8)
с ростом ёмкости С (или частоты  питающего напряжения).
На использовании ёмкостного шунтирования переменной составляющей основана работа
ёмкостных фильтров.
2. Выполнение работы
Используйте ту же модель диода, которую исследовали в лабораторной работе №2.
2.1. Получение
выпрямителя.
необходимого
коэффициента
пульсаций
подбором
параметров
Соберите следующую схему (рис.3.3.):
Рис. 3.3.
Подключите канал осциллографа к сопротивлению нагрузки (к одному из выводов
резистора). Включите схему. Посмотрите при помощи осциллографа характер напряжения
на сопротивлении нагрузки.
Добавьте в цепь выпрямителя конденсатор (рис.3.4.), параллельно резистору и снова
посмотрите характер напряжения.
Рис.3.4.
Сделайте вывод о роли ёмкостного шунтирования.
Подобрать ёмкость конденсатора так, чтобы коэффициент пульсации выпрямленного
напряжения составлял 0,25
(25%) при фиксированной частоте питания 100 Гц. Величину подобранной экспериментом
ёмкости записать в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной
работы).
Подобрать частоту питания так, чтобы коэффициент пульсации выпрямленного
напряжения составлял 0,25
(25%) при фиксированной емкости конденсатора 500мкФ. Величину подобранной
экспериментом частоты записать в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы).
Сделайте вывод о влиянии варьирования частоты и ёмкости.
Соберите мостовую схему (рис.3.5)
Рис.3.5.
выпрямителя
Мостовая схема
Повторите для данной схемы подбор ёмкости и частоты как в предыдущем случае.
Сделайте вывод по результатам сопоставления двух схем.
2.2. Исследование входного и выходного напряжений однополупериодного выпрямителя
а) Откройте файл С9_031. Включите схему. На вход осциллографа А подать выходной
сигнал, на вход В – входной (для удобства сконфигурировать для них разные цвета
отображения).
Зарисуйте осциллограммы в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы). Измерьте и запишите максимальные входные и выходные
напряжения.
б) Измерьте период Т выходного напряжения по осциллограмме и запишите результат в
раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы). Вычислите
частоту выходного сигнала.
в) Определите максимально обратное напряжение Uмакс на диоде и запишите в раздел
"Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
г) Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на
первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком холостому ходу на
выходе.
д) Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая), по
зависимости 3.4. Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол
отчёта лабораторной работы). Запишите постоянную составляющую напряжения на
выходе, измеренннуюмультиметром. Сравните полученное расчётом и измеренное
значение. Сделайте вывод.
2.3. Исследование входного и выходного напряжений двухполупериодного выпрямителя
а) Откройте файл схемы С9_032. Включите схему. На вход осциллографа А подать
выходной сигнал, на вход В – входной (для удобства сконфигурировать для них разные
цвета отображения).
Зарисуйте осциллограммы в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы). Измерьте и запишите максимальные входные и выходные
напряжения.
б) Измерьте период Т выходного напряжения по осциллограмме и запишите результат в
раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы). Вычислите
частоту выходного сигнала.
в) Определите максимально обратное напряжение Uмакс на диоде и запишите в раздел
"Результаты экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы).
г) Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на
первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком холостому ходу на
выходе.
д) Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая).
Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы). Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе,
измеренную мультиметром. Сделайте вывод по результатам сопоставления расчётного и
измеренного значения Ud.
3. Результаты экспериментов
п.2.1.:
Однополупериодная схема:
Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной частоте питания _______ Гц и
ёмкости _______ мКФ.
Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной ёмкости _______ мКФ и частоте
питания _______ Гц.
Мостовая схема:
Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной частоте питания _______ Гц и
ёмкости _______ мКФ.
Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной ёмкости _______ мКФ и частоте
питания _______ Гц.
п.2.2.
период выходного напряжения по осциллограмме схемы С9_031: Т=_________ Частота
_________
Коэффициент трансформации k = ____________.
Вычисленное значение выходного напряжения Ud ____________
Измеренное значение выходного напряжения Ud ____________
п.2.3
период выходного напряжения по осциллограмме схемы С9_032: Т=_________ Частота
_________
Вычисленное значение выходного напряжения Ud ____________
Измеренное значение выходного напряжения Ud ____________
4. Содержание отчёта
Отчёт по работе должен содержать:
Цель работы.
Все исследуемые схемы выпрямителей.
Вывод о роли ёмкостного шунтирования (см.п.2.1.).
Величины экспериментально полученных значений ёмкости и частоты питающего
напряжения для заданного коэффициента пульсации.
Вывод о влиянии варьирования частоты и ёмкости.
Вывод о сопоставлении параметров однополупериодной и мостовой схем.
Осциллограммы по п.2.2. п.п а) для однополупериодного выпрямителя.
Частоту выходного сигнала, полученную из анализа осциллогамм предыдущего пункта.
Вычисленное и измеренное значение напряжения Ud (постоянной составляющей) с
выводом по результату их сопоставления.
Осциллограммы по п.2.3. п.п а) для двухполупериодного выпрямителя.
Частоту выходного сигнала, полученную из анализа осциллогамм предыдущего пункта.
Вычисленное и измеренное значение напряжения Ud (постоянной составляющей) с
выводом по результату их сопоставления.
5. Контрольные вопросы
1. В чём назначение выпрямителей?
2. Каковы основные компоненты выпрямителя?
3. Каковы типы выпрямителей, рассматриваемых в данной работе?
4. Каковы основные параметры выпрямителя?
5. Что такое коэффициент пульсации? Как его уменьшить?
6. В чём недостатки однополупериодной схемы?
7. В чём недостатки двухполупериодной схемы?
8. Чем однополупериодная схема лучше двухполупериодной схемы?
Лабораторная работа №4
«Исследование биполярного транзистора»
Цель работы:Исследовать биполярный транзистор. Экспериментально получить основные
параметры транзистора.Получить выходные характеристики транзистора
1. Общие сведения:
Полупроводниковый
триод — транзистор,
электронно-дырочных переходов.
представляет собой систему двух
В транзисторе n-р-n-типа средняя область имеет дырочную, крайние области —
электронную проводимость. В транзисторе р-n-р-типа чередование слоев с электронной и
дырочной проводимостями меняется на противоположное.
Левая область транзистора (рис. 4.1., а) называется эмиттером, средняя, очень тонкая —
базой, правая — коллектором.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, между
базой и коллектором — коллекторным.
Рис.4.1. Устройство биполярного транзистора (а), структура и условное обозначение p-n-p
– транзистора (б), структура и условное обозначение n-p-n – транзистора (в).
Важным параметром биполярного транзистора является статический коэффициент
передачи тока Bdc (иногда для обозначения данного коэффициента используют букву
греческого алфавита ). Коэффициент передачи тока определяется как отношение тока
коллектора Iк к току базы Iб:
Bdc 
Ik
Iб .
(4.1)
Коэффициент передачи тока
BАС
определяется
отношением приращения Iк
коллекторного тока к вызывающему его приращению Iб базового тока:
B AC 
I k
I б .
(4.2)
Дифференциальное входное сопротивление Rвх транзистора в схеме с общим эмиттером
(ОЭ) определяется при фиксированном (постоянном) значении напряжения коллекторэмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к
вызванному им приращению Iб тока базы:
Rвх  U бэ
I б
(4.3.)
Дифференциальное входное сопротивление Rвх транзистора в схеме с ОЭ через
параметры транзистора определяется следующим выражением:
Rвх  Rб  BAC  RЭ ,
(4.4.)
Где Rб – распределенное сопротивление базовой области полупроводника,
Rэ – дифференциальное сопротивление перехода база эмиттер, определяемое
выражения:
Rэ = 25/Iэ ,
из
(3.5.)
где Iэ – постоянный ток эмиттера в милиамперах. Первое слагаемое Rб в выражении
много меньше второго, поэтому им можно пренебречь:
Rвх  BAC  RЭ
(4.6.)
Дифференциальное сопротивление
Rэ перехода база-эмиттер для биполярного
транзистора сравнимо с дифференциальным
входным сопротивлением
Rвх_об
транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении
напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения Uбэ к
вызванному им приращению Iэ тока эмиттера:
Rвх _ об 
U бэ U бэ _ 2  U бэ _ 1 

I э
I э _ 2  I э _1
(4.7.)
Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением:
Rвх _ об  Rб
BAC
 Rэ
(4.8.)
Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно cчитать, что
дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:
Rвх _ об  Rэ
(4.9)
2. Выполнение работы
Перед выполнением работы узнайте у преподавателя модель Вашего транзистора.
2.1.Определение статического коэффициента передачи тока транзистора
а) Открыть файл схемы 10_001. Сконфигурируйте параметры транзистора (установите в
схему модель Вашего транзистора). Включить схему.
Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэмиттер в раздел “результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной работы).
По полученным результатам рассчитать (4.1.) статический коэффициент передачи
транзистора Вdc . Результаты записать в раздел “результаты эксперимента” (в протокол
отчёта лабораторной работы).
б) Установить номинал источника ЭДС Еб равным 2.68 В. Включить схему. Записать
результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в
раздел “результаты эксперимента”. По полученным результатам подсчитать статический
коэффициент передачи транзистора Вdc (4.1.) Ответ записать в раздел “результаты
эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной работы).
в) Установить номинал источника ЭДС Ек до 5 В. Включить схему.
Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэмиттер в раздел “результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной работы).
По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора
Вdc. Результат записать в раздел “результаты эксперимента”(в протокол отчёта
лабораторной работы). Затем установить номинал Екравным 10 В.
2.2.Измерение обратного тока коллектора
На схеме изменить номинал источника ЭДС Еб до 0 В. Включить схему. Записать
результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения
коллектор эмиттер в раздел “результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной
работы).
2.3..Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.
а) Произвести измерения тока коллектора Iк для каждого значения Ек и Еб и заполнить
таблицу по данным таблицы построить график зависимости Iк от Ек.
б) Открыть файл со схемой 10_002. Включить схему. Зарисовать осциллограмму
выходной характеристики, соблюдая масштаб. Повторить измерения для каждого
значения Еб из таблицы.
Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы зарисовать на одном
графике.
в) По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока ВАС
при изменении базового тока с 10мкА до 30мкА, Ек = 10 В. Результат записать в раздел
“результаты эксперимента”(в протокол отчёта лабораторной работы).
2.4. Исследование инверсного включения транзистора
Поменяйте местами коллектор и эмиттер транзистора. Повторите пп.2.1. – 2.3. Сделайте
выводы.
3. Результаты эксперимента
Модель транзистора______________
Еб = 2.68 В.
Iк=_____
Uкэ =_______
Статический коэффициент передачи Вdc_____________
Ек =5В.
Iк=_____
Iб=_____
Uкэ =_______
Таблица 1
Ек (В)
Еб (В)
Iб (мкА)
0.1
0.5
1
1.66
2.68
3.68
4.68
5.7
Коэффициент передачи тока ВАС ____________
5
10
20
4. Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
Цель работы.
Электрическую схему включения транзистора.
Расчёт статического коэффициента передачи.
Величину обратного тока коллектора.
Таблицу результатов измерений для выходных характеристик транзистора (Таблица 1).
Графики выходных характеристик транзистора.
Величину коэффициента усиления.
Графическое определение коэффициента передачи при изменении базового тока с 10мкА
до 30мкА.
Выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1. Устройство биполярного транзистора.
2. Основные параметры биполярного транзистора.
3. Какова причина явления усиления по напряжению и мощности в транзисторе?
Лабораторная работа №5
«Исследование полупроводникового стабилитрона»
Цель работы:
1.Построение обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и
определение напряжения стабилизации.
2.Вычисление тока и мощности, рассеиваемой стабилитроном.
3.Определение дифференциального сопротивления стабилитрона по вольтамперной
характеристике.
4.Исследование изменения напряжения стабилитрона при изменении входного
напряжения в схеме параметрического стабилизатора.
5.Исследование изменения напряжения на стабилитроне при изменении
сопротивления в схеме параметрического стабилизатора.
1. Общие сведения
Полупроводниковые стабилитроны (их называют также опорными диодами)
Cлужат для стабилизации постоянного напряжения и представляют собой кремниевые
плоскостные диоды, работающие на участке электрического пробоя вольт-амперной
характеристики (рис.5.1., а).
Рис.5.1. Теоретическая вольт-амперная характеристика стабилитрона
При этом в определенном диапазоне токов, зависящем от типа диода, напряжение
на нем практически остается постоянным.
Электрический пробойможет возникнуть вследствие ударной ионизации атомов
полупроводника и лавинообразного размножения носителей или туннельного
прохождения электронов через тонкий потенциальный барьер на p-n переходе. Если на
длине свободного пробега электрон приобретает энергию, достаточную для ионизации
атома, то в переходе начинается размножение носителей (вне перехода ионизация
маловероятна, так как большая часть напряжения выделяется на переходе), приводящее к
резкому росту обратного тока. Для возникновения ударной ионизации необходимо или,
чтобы длина свободного пробега была меньше ширины перехода (широкий переход), или
напряженность поля была бы такой большой, что требуемая энергия приобреталась бы на
пути, меньшем ширины перехода. Образованные вследствие ударной ионизации
электроны в свою очередь будут производить следующую ионизацию и т. д. Процесс
развивается лавинообразно.
При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через
резистор получается схема параметрического стабилизатора (рис.5.2.).
Рис.5.2.
Схема
параметрического
стабилизатора
Ток
стабилитрона
Iст
может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе,
Iст= (E -Uст)/R
Напряжение
стабилизации
определяется
точкой
на
вольтамперной
характеристике, в которой ток стабилитрона Iст резко увеличивается.
Мощность рассеивания стабилитрона вычисляется как произведение тока Iстна
напряжение:
Рст =Uст·Iст
Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по
наклону вольтамперной характеристики.
2. Выполнение работы
Перед
стабилитрона.
выполнением
работы
узнайте
у
преподавателя
модель
Вашего
2.1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон
а)
Откройте
файл
схемы
С9_021.
Сконфигурируйте
параметры
стабилитрона(установите в схему модель Вашего стабилитрона). Измерьте значение
напряжения Uст при значениях ЭДС источника E, приведенных в таблице 1, и занесите
результаты измерения в ту же таблицу.
б) Вычислите ток стабилитрона Iстдля каждого значения напряжения Uст для
каждого значения напряжения Uст. Результаты вычислений занесите в таблицу 1.
в) По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона.
Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации.
г) Вычислите мощность Рст, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении E =
20 В.
Измерьте наклон вольтамперной характеристики в области стабилизации напряжения
и оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в этой области.
2.2. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора
а) Подключите резистор RL=75 Ом параллельно стабилитрону. Значение
источника ЭДС установите равным 20В.
Включите схему. Запишите значение
напряжения Uст на стабилитроне в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы).
б). Повторите пункт а) при коротком замыкании и сопротивлениях резистора RL
в 200 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм.
в). Рассчитайте ток I1 через резистор R, включенный последовательно с
источником, ток IL через резистор RL, и ток стабилитрона Iстдля каждого значения RL из
таблицы 2. Результаты занесите в таблицу 2.
2.3. Получение вольтамперной характеристики стабилитрона на экране
осциллографа
Откройте файл С9_022. Сконфигурируйте параметры стабилитрона(установите в
схему модель Вашего стабилитрона). Включите схему. Запишите в экспериментальные
данные напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.
3. Результаты эксперимента
Модель стабилитрона __________
Мощность, рассеиваемая на стабилитроне
ВРст=_____________
при напряжении E = 20
Таблица.1 Данные для построения вольтамперной характеристики стабилитрона
Е,В
Uпр,мВ
Iпр,мА
0
4
6
10
15
20
25
30
35
Дифференциальное сопротивление стабиллитрона _____________
Таблица.2 Напряжение стабилитрона Uст, и значения токов при Е = 20. В
RL, оМ
Uст,В
I1,мА
IL,мА
75
100
200
300
Iст, мА
600
1 ком
К.з.
4 . Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
1. Цель работы.
2. Схему включения стабилитрона.
3. Результаты измерений и вычисления по п.2.1. и п.2.2.
4. Вольтамперную характеристику стабилитрона.
5. Величину
дифференциального
сопротивления,
вольтамперной характеристики.
6. Вывод(ы).
полученного
анализом
5. Контрольные вопросы
1. Сравните относительное изменение напряжения на стабилитроне с относительным
изменением питающего напряжения. Оцените степень стабилизации.
2.Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного
напряжения стабилизатора?
3.Как изменяется напряжение стабилитрона, когда ток стабилитрона становится
ниже20 мА?
4.Каково значение тока стабилитрона при входном напряжении 15 В?
5.Каково значение тока стабилитрона при значении сопротивления 200 оМ?
6.Как изменяется напряжение на выходе стабилизатора, при уменьшении
сопротивленияR?
7. Каково назначение стабилитрона?
Лабораторная работа №5
«Исследование полупроводникового тиристора»
Цель работы:
1. Построение вольтамперной характеристики тиристора.
2. Определение напряжения самовключения тиристора.
3. Построение характеристики управления тиристора.
1. Общие сведения
Основой неуправляемого и управляемого переключающего прибора является
кристалл кремния, в котором созданы четыре чередующихся слоя р и n-проводимостей
(рис.5.1.).
Омические контакты выведены от крайнего р-слоя, являющегося анодом, и
крайнего n-слоя — катода.
Рис.5.1.
На концах располагаются омические контакта между ними — три перехода
(рис.5.1.). Предположим, что переходы 1 и 3внешним источником смещены в прямом
направлении, то переход 2 оказывается смещенным в обратном направлении.
При увеличении напряжения источника ток в цепи ограничивается за счет
действия перехода 2.
Это продолжается до тех пор, пока в этом переходе не
произойдет обратный лавинный пробой. При этом сопротивление перехода очень
быстро уменьшается. Происходит „включение" тока, приблизительно описываемое
характеристикой перехода, смещенного в прямом направлении.
Характеристика имеет начало в точке пробоя Uвкл (рис. 5.2.). До сих пор
речь шла о работе прибора в режиме самовключения:
при некотором
значении
приложенного напряжения сопротивление перехода уменьшается от
нескольких мегОм до единиц Ом.
Рис. 5.2. Вольт-амперная характеристика управляемого кремниевого выпрямителя.
Напряжение переключения Uвклзависит от инжектированного тока Iупр . 1 —
результирующая кривая после пробоя перехода 2.
Полезным добавлением служит контакт, через который в n-область между
переходами 1 и 2 можно инжектировать дырки, подавая положительное
управляющее напряжение. Ток Iупропределяет значениенапряжения Uвкл, при котором
прибор оказывается в положении ,,включено", за счет инжекции избыточных не
основных носителей в область перехода 2.
Тиристоры, в которых управляющий электрод осуществляет только операцию
включения, называются незапираемыми. В этих приборах для выключения тиристора
необходимо уменьшить анодный ток до величины, меньшей удерживающего тока Iуд, или
изменить полярность приложенного к тиристору напряжения.
В запираемых тиристорах выключение осуществляется импульсом тока
управления отрицательной полярности.
Вольт-амперная характеристика тиристора (прямая и обратная ветви) при
различных токах управляющего электрода приведена на рис. 5.2.,б.
Участок ОА прямой ветви характеристики соответствует выключенному
состоянию тиристора. Вблизи точки А ток тиристора быстро нарастает при небольшом
увеличении напряжения. Напряжение, соответствующее точке А характеристики,
называется напряжением включения Uвкл.
При дальнейшем росте тока напряжение на тиристоре снижается, что
соответствует отрицательному сопротивлению тиристора, и последний переходит в
открытое состояние (участок БВ). В открытом состоянии напряжение на тиристоре UОТК
незначительно (1—2 В). Напряжение включения меняется в зависимости от величины
тока Iуэ управляющего электрода.
При подаче на тиристор напряжения обратной полярности ток тиристора
остается незначительным до напряжений, меньших Uобрmax .
Характеристики управления незапираемого тиристора приведены на рис.5.4.
Рис.5.4. Характеристики управления тиристора
Область между крайними характеристиками показывает возможные изменения
управляющего тока и напряжения, при которых происходит включение тиристора для
различных температур (от—65 до +125°С).
Вследствие разброса управляющего тока в схемах, где требуется точное
фиксирование момента включения, желательно управлять импульсами напряжения с
крутым передним фронтом.
Во избежание повреждения тиристора напряжение и ток управления не должны превышать предельно допустимых значений.
Тиристоры выпускаются на широкий диапазон токов (от единиц мА до сотен А) и
напряжений (от десятков В до тысяч В).
Маломощные тиристоры применяются в релейных системах и коммутационных
устройствах, мощные — в преобразовательных установках (приводы подач
металлорежущих станков).
Для увеличения рассеиваемой мощности тиристоры при воздушном охлаждении
снабжаются радиатором, а при водяном — приваренной к корпусу металлической
рубашкой.
2. Выполнение работы
Перед выполнением работы узнайте у преподавателя модель Вашего тиристора.
2.1. Определение напряжения самовключения тиристора Uвкл.
Соберите следующую схему:
Рис.5.5.
Установите на генераторе синусоидального напряжения частоту 1Hz и амплитуду
10В. Включите стенд и посмотрите загорится ли лампочка. Лампочка гореть не будет.
Замените лампочку мультиметором (в режиме амперметра), либо амперметром.
Последовательно увеличивая амплитуду напряжения на генераторе от 10В (и шагом 10В)
добейтесь самовключения тиристора Uвкл.
2.2. Построение вольтамперной характеристики тиристора
Подключите источник тока к управляющему электроду тиристора так, как вам
предлагается на рис.5.6. В цепь тока управляющего электрода добавьте нормально
открытый ключ (для формирования импульса тока с крутым передним фронтом).
Установите номинал источника тока 0А. Установите вместо лампы амперметр.
Установите величину тока в цепи управляющего электрода 0,001А. Последовательно
увеличивая амплитуду напряжения на генераторе от 10В (и шагом 10В) добейтесь
включения тиристора Uвклдля заданного тока управляющего электрода. Результаты
запишите в таблицу 1 раздела “результаты эксперимента”.
Рис.5.6.
По результатам эксперимента постройте вольтамперную характеристику тиристора
(см.рис.5.2.) и сделайте вывод по последней.
3. Результаты эксперимента
Модель тиристора ____________
Напряжение самовключения ________ В.
Таблица 1. Ток тиристора
Ток
управляющего
электродаIупр
Напряжение генератора синусоидального напряжения
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
U8
U9
…
…
…
Un
Uвкл
4 . Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
1. Цель работы.
2. Схему включения тиристора.
3. Результаты измерений (таблица 1.)
4. Вольтамперную характеристику тиристора.
5. Вывод(ы).
5. Контрольные вопросы
1. В чём назначение полупроводникового тиристора?
2. Каково устройство тиристора?
3. Каковы два основных типа тиристоров?
4. Расскажите механизм перехода тиристора из состояния с высоким сопротивлением в
состояние с низким сопротивлением.
5. Каким способом снижают напряжение самовключения тиристоров?
6. В чём назначение управляющего электрода в тиристоре?
7.
Краткое описание практических занятий
Перечень практических занятий
Тема 1: Расчет выпрямительного моста на полупроводниковом диоде
Тема 2: Расчет характеристик биполярного транзистора
Тема 3: Расчет характеристик полевого транзистора
Тема 4: Расчет операционного усилителя
Методические указания по выполнению заданий на практических занятиях
Тема 1: Расчет выпрямительного моста на полупроводниковом диоде
В словосочетании "диодный мост" нам очень знакомо слышится слово "диод". Все
верно, диодный мост должен состоять из диодов. Но если в диодном мосту есть диоды,
значит, в одном направлении диод пропускает напряжение, а в другом нет. Это свойство
диодов мы использовали, чтобы определить их работоспособность. Кто не помнит, как мы
это делали, тогда Вам сюда. Поэтому мост из диодов используется, чтобы из переменного
напряжение получать постоянное напряжение.
А вот и схема диодного моста:
Иногда в схемах его обозначают и так:
Как мы с Вами видим, схема состоит из четырех диодов. Но чтобы схемка диодного
моста заработала, мы должны правильно соединить диоды, и правильно подать на них
переменное напряжение. Слева мы видим два значка "~". На эти два провода мы подаем
переменное напряжение. Ну а снимаем постоянное напряжение с других проводов: с
плюса и минуса.
Для того, чтобы превратить переменное напряжение в постоянное можно
использовать один диод для выпрямления, но не желательно. Давайте рассмотрим
рисунок:
Переменное напряжение изменяется со временем. Диод пропускает через себя
напряжение только тогда, когда напряжение выше нуля, когда же оно становится ниже
нуля, диод запирается. Думаю все элементарно и просто. Диод срезает отрицательную
полуволну, оставляя только положительную полуволну, что мы и видим на рисунке
выше. А вся прелесть этой немудреной схемки состоит в том, что мы получаем
постоянное напряжение из переменного. Вся проблема в том, что мы теряем половину
мощности переменного напряжения. Ее тупо срезает диод.
Чтобы исправить эту ситуацию, была разработана схемка диодного моста.
Диодный мост "переворачивает" отрицательную полуволну, превращая ее в
положительную полуволну. Тем самым мощность у нас сохраняется. Прекрасно не правда
ли?
На выходе диодного моста у нас появляется постоянное пульсирующее напряжение
с частой в два раза больше, чем частота сети: 100 Гц.
Думаю, не надо писать, как работает схема, Вам все равно это не пригодится,
главное запомнить, куда цепляется переменная напруга, а откуда выходит постоянная
напруга.
Давайте же на практике рассмотрим, как работает диод и диодный мост. Для
начала возьмем диод. Я его выпаял из блока питания компа. Катод можно легко узнать по
полоске. Почти все производители показывают катод полоской или точкой.
Подробнее здесь: http://www.ruselectronic.com/news/diodnyj-most/
Тема 2: Расчет характеристик биполярного транзистора
ТРАНЗИСТОР - полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и
преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического
полупроводника (Si – кремния, или Gе - германия), содержащего не менее трёх областей с
различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948
американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и
механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто
транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых,
содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат
как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термин
«транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных
приёмников на полупроводниковых приборах.
Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного
напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к
существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное
свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и
т. п.).
Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости.
Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить
разницу проводимостей лишь в полярности подключения в
практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов,
которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически
изображены n-p-n и p-n-p транзисторы. У транзистора три вывода. Если рассматривать
транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных
вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и
для выходной цепи.
Различают схемы включения транзистора:
Схема включения транзистора с общим эмиттером –
предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по
напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь
транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного
сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является
основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от
сотен Ом до единиц килоом, а выходное - от единиц до десятков
килоом.
Схема включения транзистора с общим коллектором –
предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току.
Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее
сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше
единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от
десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом - единиц килоом. Благодаря
тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает
большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она
обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором
используются для согласования транзисторных каскадов - как "буферный каскад". Так
как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде "повторяется" на выходе, схему
включения транзистора с общим коллектором ещё
называют Эмиттерный повторитель.
Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой.
Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется
очень тяжело. Такая схема включения используется в
высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое
входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу
сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения
транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как "чужую" схему, но так
и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его
базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода
транзистора - базы на выходе - не возможно. На самом деле базу транзистора через
конденсатор "сажают" по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А
гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают
смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от
дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы
гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод эмиттер через низкоомный резистор "сажают" на корпус, отсюда и низкое входное
сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой - тема для
теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою
практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью
использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами
этой схемы включения: входное сопротивление - от единиц до десятков Ом, а выходное
сопротивление - от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры редкая потребность.
Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном)
режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических
схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих
состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный
(усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует
поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.
Для изучения работы транзистора, мы
рассмотрим схему включения транзистора с общим
эмиттером, как наиболее важную схему включения.
Схема изображена на рисунке. На схеме VT –
собственно транзистор. Резисторы Rб1 и Rб2 –
цепочка смещения транзистора, представляющая
собой обыкновенный делитель напряжения.
Именно эта цепь обеспечивает смещение
транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления
гармонического сигнала без искажений.
Резистор Rк – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к
коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в
режиме "открытого" транзистора. Резистор Rэ – резистор обратной связи, по своей сути
увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного
сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния
внешних цепей.
Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём
аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала,
резистор R2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя
сопротивление этого резистора, от нуля до "бесконечно" большого значения, мы можем
получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его
вход. А теперь, представим себе, что резистор R1 делителя напряжения – это
коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R2 делителя напряжения – это
переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора
управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление
перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения.
Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током.
Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке
ниже:
Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего,
необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы
транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется
током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением
база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение
смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно
учитываться.
Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при
определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого
транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для
германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать
транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного
усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним
сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не
соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите
неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи
смещения или развязки этого транзисторного каскада.
Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).
Большинство из "спецов", посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда
нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не
выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось
это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы
считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на
коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение
напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике Iб –
Uбэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике Iк –
Uкэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом
графике IR – UR представлен вольтамперный график нагрузочного резистора Rк, который
обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.
На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления
входного сигнала, ограниченный точками А и С. Средняя точка – В, является именно той
точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном
режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при
расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для
транзистора из германия.
По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии,
или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток
коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё
напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения базаэмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с
ним растёт ток коллектора. При достижении "рабочей области" в точке С, транзистор
входит в линейный режим, который продолжается до точки А. При этом, падение
напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе Rк,
наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, - это такая
точка, при которой на переходе коллектор - эмиттер транзистора, как правило,
устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника
питания. Отрезок АЧХ от точки С, до точки А называют рабочей областью смещения.
После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор
полностью открывается - входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллекторэмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-nпереходов, которое
приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное
напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора –
резисторе Rк., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.
По нижним "дополнительным" рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на
выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение
(падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к
входному сигналу.
Расчёт транзисторного каскада с общим
эмиттером (ОЭ)
Прежде чем перейти непосредственно к
расчёту транзисторного каскада, обратим внимание
на следующие требования и условия:
• Расчёт транзисторного каскада проводят, как
правило, с конца (т.е. с выхода);
• Для расчета транзисторного каскада нужно
определить падение напряжения на переходе
коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя
(когда отсутствует входной сигнал). Оно
выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной
схеме транзисторного каскада работающего в режиме "A" это, как правило, половина
значения напряжения источника питания;
• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока - ток коллектора (по пути коллекторэмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно
пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;
• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что
способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина
усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников - коэффициент
усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он - h21.
Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём,
обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно
выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение - 50);
• Коллекторное (Rк) и эмиттерное (Rэ) сопротивления влияют на входное и выходное
сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление
каскада Rвх=Rэ*h21, а выходное равноRвых=Rк. Если Вам не важно входное
сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора Rэ;
• Номиналы резисторов Rк и Rэ ограничивают токи, протекающие через транзистор и
рассеиваемую на транзисторе мощность.
Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ
Исходные данные:
Питающее напряжение Uи.п.=12 В.
Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:
Pmax=150 мВт; Imax=150 мА; h21>50.
Принимаем Rк=10*Rэ
Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем Uбэ = 0,66 В
Решение:
1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться
на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В
статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов
меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в
справочнике.
Принимаем Pрас.max=0,8*Pmax=0,8*150 мВт=120 мВт
2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):
Iк0=Pрас.max/Uкэ0=Pрас.max/(Uи.п./2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.
3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает
половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на
резисторах:
(Rк+Rэ)=(Uи.п./2)/Iк0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.
Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами
выбрано соотношение Rк=10*Rэ, находим значения резисторов :
Rк = 270 Ом; Rэ = 27 Ом.
4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.
Uк0=(Uкэ0+ Iк0*Rэ)=(Uи.п.- Iк0*Rк) = (12 В - 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Определим ток базы управления транзистором:
Iб=Iк/h21=[Uи.п./(Rк+Rэ)]/h21 = [12 В / (270 Ом + 27 Ом)] / 50 = 0,8 мА.
6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое
задается делителем напряжения Rб1,Rб2. Ток резистивного базового делителя должен
быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы Iб, чтобы последний не влиял на
напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:
Rб1,Rб2: Iдел.=10*Iб = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.
Тогда полное сопротивление резисторов
Rб1+Rб2=Uи.п./Iдел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.
7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При
расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер
рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме
без входного сигнала примерно равно:
Uэ=Iк0*Rэ = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,
где Iк0 - ток покоя транзистора.
8. Определяем напряжение на базе
Uб=Uэ+Uбэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В
Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:
Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Uи.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом
Rб1= (Rб1+Rб2)-Rб2 = 1500 Ом - 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор Rб1 течёт ещё и ток базы,
выбираем резистор в сторону уменьшения: Rб1=1,3 кОм.
9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудночастотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы
транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы
номиналом не менее 5 мкФ.
На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада
зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы
каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы
конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного
каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот
определяется постоянной времени tн=Rвх*Cвх, где Rвх=Rэ*h21, Cвх - разделительная
входная емкость каскада. Cвых транзисторного каскада, это Cвх следующего каскада и
рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза
АЧХ) fн=1/tн. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада
необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/tн=1/(Rвх*Cвх)<<fн в 30-100 раз для всех
каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый
каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно
разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен
низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до
500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.
Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени
перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк - паразитная емкость коллекторного перехода
(указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода
незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.
Расчёт ключевого режима транзисторного каскада
Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так
же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только
в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без
сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом,
рабочие точки "покоя", находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда
на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее
изображённой схемы каскада удалить резистор Rб1. Если же требуется, чтобы транзистор
в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор Rб2 в 10
раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.
Расчёт транзисторного каскада окончен.
Тема 3: Расчет характеристик полевого транзистора
На рис.1 приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с nканалом и управляющим p-n-переходом на затворе:
Рис.1
Условное графическое обозначение полевого с nканалом и p-n-переходом на затворе
Обозначение его выводов соответственно следующее:
G (Gate) - затвор;
S (Source) - исток;
D (Drain) - сток.
Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на
затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого
транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном
напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной
технической документации этот параметр обозначают как IDSS.
Напряжение отсечки - это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по
достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически
равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в
англоязычной документации обозначают как VGS(off) или реже как Vp.
В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно
большом напряжении сток-исток VDS - на графике семейства выходных характеристик
транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что
величина тока через канал полевого транзистора, - ток стока ID, - зависит в основном лишь от
величины напряжения затвор-исток VGS. Эту зависимость тока стока полевого
транзистора ID от входного напряжения затвор-исток VGS описывает так называемая
передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющимp-n-переходом
её обычно аппроксимируют следующим выражением:
1
)
Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе
изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует
приведенная на рис.2диаграмма:
Рис.2
Пример аппроксимации зависимости тока стока ID от
напряжения затвор-исток VGS квадратичной функцией при
начальном токе стока IDSS = 9,5 mA и напряжении отсечки
VGS(off) = -2,8 V
В таком изменении тока стока ID с изменением напряжения затвор-исток VGS и
проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства
характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:
2
)
Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого
транзистора IDSS и VGS(off), можно получить дифференцируя выражение для передаточной
характеристики (1) поdVGS:
То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока IDSS и
напряжения отсечки VGS(off) при заданном напряжении затвор-исток VGS крутизну
передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:
3
)
или, учитиывая равенство:
получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока ID:
4
)
Установка рабочей точки
На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с
управляющим p-n-переходом на затворе:
а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник - стабилизатор тока.
ис.3
а)
б)
Р
Основные схемы включения полевого транзистора с
управляющим p-n-переходом на затворе
в)
Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока ID служит
включенный в цепь истока резистор RS. Потенциал затвора полевого транзистора равен
потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока ID, напряжение
затвор-исток VGS и сопротивление RS элементарно связаны между собой законом Ома:
5
)
Расчет сопротивления RS для установки требуемого тока стока ID для полевого
транзистора с известными значеними начального тока стока IDSS и напряжения
отсечки VGS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной
характеристики (1):
откуда получаем равенство:
6
)
Разделим обе части равенства (6) на RS и, с учётом выражения (5), получим:
Соответственно выражение для значения сопротивления RS примет следующий вид:
7
)
Теория и практика
Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив
значения начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) - основных статических
параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, - можно
определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке
или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение
крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты
чаще всего оказываются далеки от расчетных.
Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций
на тему работы полевого транзистора. Так, например, в [1] один и тот же абзац содержит и
утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора "достаточно
точно определяется квадратичной зависимостью" в соответствии с формулой (1), и оговорку,
что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения
отсечки VGS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвористок
при ID = 0,1·IDSS, а затем, подставив эти значения в формулу (1), вычисляют уже
соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:
8
)
В [2] также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки VGS(off), при
котором величина тока стока ID становится нулевой или равной нескольким
микроамперам, "не всегда будет удовлетворять равенству (1), поэтому удобнее вычислять
величину
как функцию VGS и экстраполировать полученную прямую линию до значения
тока ID=0".
Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики
полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, то величина напряжения
отсечки VGS(off)конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1), при
котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого
транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока IDSS. Таким
образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого
транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают
с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.
На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах
с управляющим p-n-переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким,
чтобы напряжение затвор-исток VGS было близким к напряжению отсечки VGS(off) или к
нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную
характеристику (1) на всём её протяжении от ID=0 доID=IDSS, достаточно сделать это для
некоего рабочего участка от ID1=ID(VGS1) до ID2=ID(VGS2). Для этого решим следующую
задачу.
Пусть путём измерения получены значения тока стока ID1 и ID2 соответственно для
двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток VGS1 и VGS2:
9
)
Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока
и
напряжения отсечки
мы получим более соответствующие реальной передаточной
характеристике параметры формулы (1).
Сначала определим значение
. Для этого разделим второе уравнение на первое
чтобы сократилось
и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:
Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется
выражением:
1
0
)
А соответствующее значение начального тока стока
вычисляется путём подстановки
полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки
в следующее выражение,
полученное из формулы (1):
1
1
)
Экспериментальные данные
Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки
и начального
тока стока
после подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой
формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это
проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых
транзисторов четырёх типов - по три транзистора каждого типа.
Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись
начальный ток стока IDSS и напряжение отсечки VGS(off) полевого транзистора. Затем были
измерены значения напряжений затвор-исток VGS1 и VGS2 для двух соответствующих им
значений тока стока ID1 и ID2, несколько отстоящих от нулевого значения
при VGS=VGS(off) и начального тока стока IDSS. Подстановка VGS1, VGS2, ID1 и ID2 в
формулы (10) и (11) давала искомые значения
и
. Чтобы иметь возможность затем
сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, - IDSS иVGS(off) или
и
,
- после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы
передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого
транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его
начального тока стока IDSS, то есть где-то посередине передаточной характеристики
транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвористок. Полученные таким образом значения ID0 и VGS0 - это координаты произвольно
выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике.
Осталось подставить теперь значение VGS0 в формулу (1) сначала с парой
параметров IDSS и VGS(off), а затем с
и
, и сравнить оба вычисленных значения
тока стока с измеренным ID0.
Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в
таблице ниже.
Значение тока
Значение тока
Значения
стока I'D,
Измеренные
стока ID,
статических
вычисленное по
значения
вычисленное по
параметров по
формуле (1) с
статических
формуле (1) с
формулам
параметрами
Транзист параметров
VGS0, ID0,
параметрами
(10)
и
(11)
I'DSS
и V'GS(of
ор
В
мА
IDSS и VGS(off)
f)
VGS
V'GS
Ошибка
Ошибка
IDSS,
I'DSS,
ID,
I'D,
(off),
(off),
,
,
мА
мА
мА
мА
В
В
%
%
КП303В 2,95 -1,23
2,98 -1,35
-0,40 1,52 1,33
-12,5
1,47
-3,6
КП303В 2,89 -1,20
2,95 -1,32
-0,40 1,48 1,28
-13,1
1,43
-3,2
КП303В 2,66 -1,16
2,70 -1,24
-0,36 1,41 1,26
-10,2
1,35
-3,8
2П303Е 12,06 -4,26
12,73 -4,90
-1,49 6,49 5,09
-21,5
6,16
-5,2
2П303Е 11,24 -3,94
11,69 -4,50
-1,37 6,06 4,79
-20,9
5,67
-6,5
2П303Е 10,92 -3,77
11,26 -4,31
-1,29 5,91 4,73
-20,0
5,53
-6,3
2N3819 10,64 -3,47
10,76 -3,91
-1,08 5,90 5,05
-14,4
5,64
-4,4
2N3819 10,22 -3,51
10,29 -3,90
-1,06 5,73 4,98
-13,1
5,46
-4,8
2N3819 10,30 -3,38
10,46 -3,80
-1,07 5,67 4,81
-15,2
5,40
-4,8
2N4416A 8,79 -2,98
9,05 -3,27
-1,04 4,46 3,71
-16,9
4,20
-5,9
2N4416A 10,10 -3,22
10,31 -3,55
-1,18 4,98 4,04
-19,0
4,58
-8,0
2N4416A 10,92 -3,93
12,66 -4,32
-1,63 5,36 4,09
-23,6
4,92
-8,2
Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать
графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2, то линия,
построенная по значениям (
;
), пройдёт гораздо ближе к точке (VGS0;ID0), чем
построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока
(VGS(off);IDSS).
Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (VGS1;ID1) и (VGS2;ID2)
взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на
котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод
определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с
большим начальным током стока, например для таких как J310.
Тема 4: Расчет операционного усилителя
На рис. 2.1 приведена схема усилителя с внешней обратной связью, собранного на
основе ОУ. Расчетные соотношения, приведенные в разд. 1, применимы к схеме рис. 2.1.
Рис. 2.1. Основная схема включения ОУ
Параметры ОУ:
Номинальное напряжение питания
Выходная мощность
Входной ток:
– номинальный
– максимальный
Коэффициент усиления ОУ при разомкнутой ОС
Размах выходного напряжения двойной амплитуды
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
15 В
300 мВт
200 нА
300 нА
1000
23 В
1 МОм
300 Ом
Пример расчета
Предположим, что схема рис. 2.1 должна обеспечить коэффициент усиления 100 (40
дБ) при входном сигнале с действующим значением напряжения 80 мВ. Выходное
сопротивление источника сигнала не оговаривается. Сопротивление нагрузки на выходе
усилителя составляет 500 Ом, источник питания может иметь вариации выходного
напряжения до 10 %.
Напряжение питания. Положительное и отрицательное напряжения
питания
значениям.
должны быть равны 15 В каждое, т. е. соответствовать номинальным
Конденсаторы развязки. Рекомендуемые значения конденсаторов
и
должны
быть указаны в техническом паспорте ОУ. При их отсутствии до частоты 10 МГц емкости
0,1 мкФ обеспечивают требуемую форму частотной характеристики усилителя.
Сопротивления обратной связи. Чтобы получить требуемый коэффициент
усиления
100, сопротивление
должно быть в 100 раз больше сопротивления
.
Значение
следует выбирать таким, чтобы падение напряжения на нем (при
номинальном входном токе) было сравнимо с величиной входного сигнала и не
превышало его. При
= 50 Ом номинальный входной ток 200 нА создает падение
напряжения 10 мкВ. Такое падение напряжения составляет менее 10 % от входного
сигнала 80 мВ. Таким образом, падение напряжения на
на входной сигнал. При
не окажет заметного влияния
= 50 Ом в соответствии с формулой (1.8)
сопротивление
= 5000 Ом = 5 кОм.
Сопротивление минимизации смещения. Значение резистора
соотношения
значение
. При
= 50 Ом и
определяется из
= 5 кОм
составит приблизительно 49 Ом. Таким образом, предварительное
значение
всегда несколько меньше
, окончательное значение
должно быть
таким, чтобы в отсутствие сигнала на входе схемы усилителя напряжения на обоих входах
ОУ должны быть одинаковыми.
Выходное напряжение. Полный размах выходного напряжения (при входном
сигнале и выбранной величине усиления) не должен превышать его максимально
допустимого значения. В данном случае номинальное максимально допустимое значение
двойной амплитуды выходного сигнала равно 23 В. Фактическое значение действующего
значения выходного сигнала
80 мВ · 100 = 8000 мВ = 8 В. Двойная амплитуда
выходного напряжения составит:
22,4 В. Таким образом, ожидаемое значение
выходного сигнала (22,4 < 23 В) будет лежать в допустимых пределах.
Выходная мощность. Выходная мощность ОУ может быть рассчитана исходя из
действующего значения выходного напряжения
и сопротивления нагрузки
.В
данном случае действующее значение выходного напряжения равно 8 В. При заданном
сопротивлении нагрузки 500 Ом выходная мощность
0,128 Вт = 128 мВт. Эта
величина намного меньше типового значения выходной мощности ОУ, равного 250 мВт.
Выходное сопротивление. Желательно, чтобы выходное сопротивление
схемы
было как можно ниже сопротивления нагрузки
.
Выходное сопротивление можно рассчитать по приближенной формуле
30 Ом,
(2.1)
где
и
– выходное сопротивление и коэффициент усиления ОУ при
разомкнутой цепи обратной связи.
Выходное сопротивление
30 Ом составляет менее 10 % от сопротивления
нагрузки 500 Ом, поэтому при таком их соотношении обеспечивается передача без потерь
выходного напряжения ОУ.
Рис. 2.2. Схема неинвертирующего усилителя
2.2. Схема неинвертирующего усилителя
На рис. 2.2 приведена схема неинвертирующего усилителя с высоким входным
сопротивлением. При расчете схемы используем соотношения, полученные в п. 1.4.2.
Пример расчета
Параметры ОУ:
Коэффициент усиления ОУ
Выходное сопротивление
Входное сопротивление
Входной ток (номинальное значение)
1000 (60 дБ)
300 Ом
1 МОм
200 нА
Предположим, что схема (рис. 2.2) должна обеспечивать коэффициент усиления К =
8 при максимальном входном и минимальном выходном сопротивлениях. Минимальный
входной сигнал равен 20 мВ, максимальный – 100 мВ.
Выбираем параметр резистора
таким, чтобы падение напряжения на нем при
номинальном входном токе не превышало 10 % от минимального входного сигнала.
Приняв минимальный входной сигнал равным 20 мВ и входной ток 200 нА, получим
допустимое значение падения напряжения на резисторе: 0,1 · 20 мВ = 2 мВ.
Сопротивление
При
резистора
При
определим по закону Ома:
2 мВ : 200 нА = 10 кОм.
10 кОм и коэффициенте усиления схемы
8 сопротивление
рассчитаем в соответствии с (1.10):
(8 – 1) · 10 000 = 70 000 Ом = 70 кОм.
8 входное сопротивление схемы
= 1 МОм · 8 = 8 МОм.
Выходное сопротивление схемы усилителя рассчитаем по формуле (2.1):
2,4 Ом.
5.4
Краткое описание видов самостоятельной работы
5.4.1 Общий перечень видов самостоятельной работы
- подготовка к практическим занятиям и лабораторным работам;
- подготовка к экзамену;
-оформление отчетов по лабораторным работам;
- подготовка к сдаче и защита отчетов по лабораторным работам
6 Применяемые образовательные технологии
При реализации данной программы применяются инновационные технологии
обучения, активные и интерактивные формы проведения занятий, указанные в таблице 2.
Технологии
Таблица 2 - Применяемые образовательные технологии
Виды занятий
Лаб. раб.
Компьютерная симуляция
51
* Интерактивные лекции, анализ деловых ситуаций на основе кейс-метода и
имитационных моделей, тренинг, телеконференция, виртуальное моделирование, работа
в команде, проблемное обучение, проектный метод, исследовательский метод.
7 Методы и технологии контроля уровня подготовки по дисциплине
- промежуточное тестирование;
- экзамен в виде устного опроса;
8
Рекомендуемое информационное обеспечение дисциплины
8.1.Основная учебная литература
1. Бурбаева, Н. В. Сборник задач по полупроводниковой электронике : учебное
пособие / Н. В. Бурбаева, Т. С. Днепровская . – М.: Физматлит, 2006. – 167 с.
Имеется электронный экземпляр (в Читальном зале электронной информации)
2. Бурбаева, Н. В. Основы полупроводниковой электроники / Н. В. Бурбаева, Т. С.
Днепровская . – Москва: Физматлит, 2012. – 310 с. Имеется электронный экземпляр
(в Читальном зале электронной информации)
8.2. Дополнительная учебная и справочная литература.
1.
Хоровиц, П. Искусство схемотехники : моногр.: пер. с англ. / П. Хоровиц, У.
Хилл; пер. Б. Н. Бронина [и др.] . – Москва: Бином, 2011. – 704 с.
2.
С.А. Гаврилов. Полупроводниковые схемы. Секреты разработчика. 2009 год.
230 стр.
3.
Вайсблат, Александр Владимирович Коммутационные устройства СВЧ на
полупроводниковых диодах / Александр Владимирович Вайсблат . – М.: Радио и
связь, 1987. – 117 с.
4.
Лазарев, В. Г. Операционные усилители : справочник / Сост. Е. Ф. Турута . –
М.: Патриот, 1996. – 232 с.
8.3.Электронные образовательные ресурсы:
8.3.1.Ресурсы ИрГТУ, доступные в библиотеке университета или в
локальной сети университета.
1.
Бобылев, Ю. Н.Физические основы электроники : учеб. пособие для вузов по
специальности «Электропривод и автоматика пром. установок и технол.
комплексов» / Ю. Н. Бобылев . – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 1999. – 289 с.
: a-ил.
2.
Бойт, К.Цифровая электроника : учебник / К. Бойт; пер. с нем. М. М.
Ташлицкого . – М.: Техносфера, 2007. – 471 с. : a-ил.
3.
Кучумов, А. И.Электроника и схемотехника : учеб. пособие для студентов по
специальностям «Компьютер. безопасность»… / А. И. Кучумов. – Изд. 3-е,
перераб. идоп . – М.: Гелиос АРВ, 2005. – 335 с.
1.
2.
3.
4.
8.3.2.Ресурсы сети Интернет
www.google.ru
www.yandex.ru
http://www.ph4s.ru/book_el_poluprov.html
http://easyelectronics.ru/
9. Рекомендуемые специализированные программные средства
1. Proteus
2. AVRStudio
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
STK500 – отладочные платы
Программа составлена в соответствии с ФГОС 221000 «Мехатроника и робототехника»
Программу составили: