Электроника. Краткое содержание курса Масленникова В.В. составлено с учётом лекций, доп. вопросов на лабах и данных о зачётных тестах. Соответствует уровню знаний на четыре. Не освещена тема

Электроника. Краткое содержание курса Масленникова В.В. составлено с учётом лекций, доп. вопросов на лабах и данных о зачётных тестах. Соответствует уровню знаний на четыре. Не освещена тема фильтры, не полностью микропроцессоры. Лето 2003.

Линейный элемент- элемент, который имеет линейную вольт-амперную характеристику.

Резистивный делитель- схема: земля- E(эдс)- R₁-(U_вых)- R₂- земля, U_вых =E R2 / R1+R2

Интегрирующая цепь- схема: земля- Генератор(U_{генератора}) - R-(U_вых)- С- земля;

k=1/√ (1+w²t²); j= - arctg wt- фаза на выходе отстаёт; t=RC- постоянная времени; f_{верхнее}=w /2p = 1 / 2pt

Дифференцирующая цепь- схема: земля- Генератор(U_{генератора}) - С-(U_вых)- R- земля;

k=wt/√ (1+w²t²); j=arctg wt- фаза на выходе опережает; t=RC- постоянная времени; f_нижнее=w/2p = 1/2pt

Импульсные характеристики.

Фронт нарастания импульса- время от 0,1U до 0,9U(передний фронт, задний фронт)

Спад плоской вершины ∆U/U при t >>T

Коэффициент передачи(для синусоидального сигнала)-

k= U_вых/U_{генератора} (делятся комплексы амплитуд)

Амплитудно-частотная характеристика- зависимость модуля коэффициента передачи от частоты.

Металлы, диэлектрики и полупроводники.

Энергетические зоны: валентная- запрещённая- проводимости.

Металл- всегда есть электроны в зоне проводимости.

Диэлектрики- очень низкая проводимость.

Полупроводники занимают по проводимости среднее положение.

Полупроводники и диэлектрики- при T=0 в зоне проводимости электронов нет.

У диэлектриков запрещённая зона шире чем у полупроводников.

При увеличении T- часть электронов уходит из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне образуются дырки. Дырка- атом, потерявший электрон, способен забирать электрон у соседнего атома. При увеличении Т проводимость п/п и диэл. увеличивается за счёт увеличения числа носителей, а у металлов уменьшается за счёт колебаний ионов кристаллической решётки. Рекомбинация носителей- взаимоуничитожение свободного электрона и дырки при столкновении. Генерация носителей- рождение пар электрон дырка. Количество электронов и дырок в чистом полупроводника равны.

Примесные полупроводники.

n-тип. Основные носители- электроны. Донорная примесь создаёт дополнительные энергетические уровни вблизи потолка запрещённой зоны. Электроны из этого дополнительного уровня переходят в зону проводимости. При введении донорной примеси уровень Ферми понижается. У донорной примеси валентность больше, чем у основного полупроводника.

p- тип. Основные носители- дырки. Акцепторная примесь создаёт дополнительные энергетические уровни вблизи пола запрещённой зоны. Электроны из валентной зоны переходят на дополнительный уровень. В валентной зоне образуются дырки. При введении акцепторной примеси уровень Ферми повышается.

У акцепторной примеси валентность меньше, чем у п/п.

p-n переход. Свободные электроны, которые вблизи перехода диффундируют в область р, а дырки в область n. Диффузионный ток- обусловлен диффузией. Затем возникнет поле, которое будет мешать таким переходам. Рекомбинация носителей- переход е из зоны проводимости, взаимоуничитожение свободного электрона и дырки при столкновении. Генерация- переход е в зону проводимости, рождение пар электрон дырка.

В p- нескомпенсированные отрицательные ионы примеси. В n положительные. Дрейфовый ток на встречу диффузионному. При равновесии дрейфовый ток равен диффузионному. Если приложить к p+ к n- е из n будут притягиваться +, а дырки к -. Область перехода сужается, потенциальный барьер снижается, через p-n течёт ток. Такое смещение называется прямым. Полярность на p-n перехода считается положительной.

Диод. Диод- нелинейный элемент. Стыкуется n и p и n полупроводники. Если к n- а к р плюс, то ток пойдёт.

Вольт амперная характеристика. U=(0;0.7- для кремневого)- малый ток. U достигает 0,7В- ток резко увеличивается. При большем увеличении U- слишком большой ток и перегрев. Диод надо выбрасывать. U<0 и уменьшаем далее. Сначала ток утечки (не основные носители, Когда экспонента велика и U<0- все не основные носители, попавшие не p-n проходят.). Затем управляемый пробой (применяется в стабилатронах, основанных на управляемом пробое, так как U_вых мало меняется при изменении E и соответственно тока через этот диод)

или возникает слишком большое число пар электрон-дырка и лавинообразный пробой (диоду капут).

I_диода=I₀(e^{Uдиода/m φt}-1)

Варикапы- изменяют ёмкость в зависимости от напряжения. Используются для настройки контуров. Чем больше управляющее напряжение, тем меньше ёмкость.

Подстройка колебательного контура

Биполярный транзистор. Используются носители как одного, так и другого знака. n(коллектор)-p(база, тонкая)-n(эмиттер). На практике используется n-p-n, так как подвижность электронов больше. I_э=I_к+I_б; Некоторая часть электронов рекомбинируют в базе. I_к=α I_э, α- чуть меньше 1, I_к≈I_э;

β =I_k/I_б=α/1-α – коэффициент усиления базового тока. Малосигнальные параметры транзистора- β, r_э- сопротивление эмиттерного перехода, смещённого в прямом направлении, r_б- сопротивление базового слоя транзистора.

U_э=U_б-0,7В; U_к=E-I_кR_к. Рабочая точка- напряжение между коллектором и базой и ток коллектора при отсутствии входного сигнала. Рабочая точка должна находиться в области, где сохраняется пропорциональность между I_б и I_к и быть стабильной по отношению к изменении температуры. Активная область работы транзистора- переход эмитер-база смещён в прямом направлении, коллекторный переход- в обратном направлении. U_кэ=E- I_kR_k- I_эR_э≈E-I_k(R_k+R_э)>0.

В режиме насыщения U_кэ=0; I_k≈ E/(R_k+R_э).

Каскад с общим эмиттером.

Резистивный делитель R₁-R₂ создаёт U_б. U_к=E-I_kR_k. C₁ и С₂ препятствуют прохождению постоянного тока в генератор и нагрузку. С_э- исключает отрицательную ОС в диапазоне рабочих частот.

Рабочая точка должна находиться в области, где сохраняется пропорциональность между I_б и I_к.

Чем больше R_э, R_э / R₁||R₂- тем стабильнее рабочая точка.

Основными характеристиками усилительных каскадов являются

коэффициенты усиления по напряжению и току, входное и выходное сопротивление, верхние и нижние частоты.

R_вх=(r_б+r_э(1+ β))||R₁||R₂

k_u=R_k||R_н/r_э при β>>1, r_б<< βr_э, R_вх>>R_г.

Эмиттерный повторитель(с общим коллектором).

∆I_э≈(1+β)∆I_б. Усиления по напряжению нет. U_б<U_к- коллекторный переход закрыт. Эмиттерный переход открыт. Оптимальное напряжение на эмиттере=E/2

У эмиттерного повторителя входное сопротивление больше, выходное сопротивление меньше, полоса пропускания шире, чем у каскада с общим эмиттером.

Дифференцирующий усилитель.

усиливает разность напряжений. T₁=T₂, R_k1=R_k2. Эмиттерный переход Т₃ смещён в прямом направлении, коллекторный в обратном. U_б3→U_э3→I_э3- можно найти и они не зависят от входов U₁ и U₂. Если U₁>U₂ то большая часть тока потечёт через T1. И уменьшится разность Uk₁-Uk₂=U_вых.

Операционный усилитель.

U_вых=k(U_неинв-U_{инвертир}), но не может превосходить напряжения питания. k=10⁵(в идеальном ∞).

R_вых=∆U_вых/∆I_вых=100 ом(в идеальном 0).

R_вх=U_вх1-U_вх2 / I_вх=100 Мом(в идеальном ∞).

Также ОУ характеризуется напряжением смещения, максимально допустимым напряжением, которое можно подать на его входы, скоростью нарастания выходного напряжения, шумовыми токами и напряжениями, потребляемой мощностью от источников питания.

Если на оба выхода реального усилителя подать 0, то на выходе может быть –E<U_вых<E_{питания}, а на идеальном будет 0.

Принцип мнимой земли. Рассмотрим идеальный ОУ. k=∞. U_вых- конечно(не может превосходить напряжения питания). →Если на не инвертирующем входе земля, то на инвертирующем входе- мнимая земля(потенциал равен 0, но ток в неё не течёт).

Динамический диапазон усилителя- отношения максимальной амплитуды, при которых ещё нет искажений к уровню шумов.

Схема с мостом Вина (избирательный усилитель).

ώ_рез=1/RC, Q=1 / (2- R₂/R₁);

R₂=2R₁- генерация сигнала(самовозбуждение).

Инвертирующий усилитель и сумматор.

Источник напряжения, управляемый напряжением (неинвертирующий усилитель).

Источник тока, управляемый напряжением.

Источник напряжения, управляемый источником тока

Интегратор и дифференциатор.

Компаратор

Логарифматор и антилогарифматор.

Полевые транзисторы (канальные, униполярные). Электрическое поле управляет толщиной канала→током через канал. Ток определяется только одним видом носителя(p- канал- дырки, n- электроны).

Полевой транзистор с p-n переходом. n канал между двумя p- затворами. При уменьшении напряжения на затворах электроны идут в n(канал) а дырки в p(затвор). Канал сужается. Ток уменьшается. Если к затвору приложить +, то p-n переход откроется и от этого пользы нет. U_{затвора}<U_истока<U_стока. У истока канал шире, чем у стока.

Крутизна S=∆I_стока/∆U_{затвора}[1/кОм].

r_к=dU_стока/dI_стока -сопротивление канала;

коэффициент усиления по напряжению μ=Sr_к.

МОП- металл-окисел-полупроводник и

МДП- металл-диэлектрик полупроводник

Без подачи положительного напряжения ток не потечёт. При воздействии положительного напряжения, начиная с некоторого порогового значения U_порог образуется n канал. При наличие встроенного канала можно подать некоторое отрицательное U_{отсечки.}

Обозначение, выходная и передаточная характеристика.

Пунктир означает отсутствие канала. Если канал встроенный, то линия сплошная. Если канал n- то стрелка внутрь.

КМОП транзисторы имеют большое входное сопротивление, занимают малую площадь. Потребляют мощность только при переключении, в статическом режиме не потребляют.

Обратная связь- передача части выходного сигнала на вход.

γ=U_ос/U_вых- показывает, какая часть выходного сигнала подаётся на вход; k=U_вых/U_вх- коэффициент усиления усилителя; k_ос=U_генер/U_вх=k/F- коэффициент усиления с обратной связью; фактор обратной связи F=1" γk=k₀/k_ос , + для отрицательной обратной связи, - для положительной. При γk>>1 k_ос≈1/γ→отрицательная ОС повышает стабильность схемы (по отношению к изменению параметров усилителя), уменьшает I_вх→увеличивает r_вх в F раз; увеличивает полосу пропускания.

Положительная связь понижает стабильность, при γk$1 вызывает самовозбуждение усилителя и по этому не используется. Последовательная О.С.- эдс ос подключено последов. с генератором.

Искажения. Линейные- связаны с наличием реактивных элементов и изменении сигнала во времени. Нелинейные- наличие элементов с нелинейными вольт амперными характеристиками, чем больше амплитуда сигнала, тем сильнее они проявляются.

Импульсные устройства.- делаются на основе усилителей с положительной обратной связью.

Триггер. имеет 2 устойчивых состояния- один из транзисторов открыт и насыщен. Состояние, когда оба транзистора работают в активном режиме является неустойчивым из за положительной обратной связи: увеличение U_б1→увеличение тока через базу и коллектор→более сильное уменьшение U_б2→насыщение первого транзистора и закрытие второго.

Мультивибратор.

Не имеет входов. Имеет два временно устойчивых состояния, и неустойчивое(переход между устойчивыми) состояние. Когда оба транзистора открыты, то + на базе первого порождает – на базе второго(С₁ мгновенно разрядиться не может) и + на выходе, С₁- начинает разряжаться до тех пор, пока U_б2 не достигнет 0,7В, затем мультивибратор переходит в другое устойчивое состояние. Мультивибратор на ОУ может работать на более низких частотах.

На логических элементах.

На выходе 1 единица, на выходе 2- ноль. Конденсатор С₁- перезаряжается.

Одновибратор. Устойчивое состояние, может переходить во временно устойчивое состояние, когда на вход подаётся напряжение, превышающее U_{пороговое}. В этом случае на базу второго транзистора подаётся – и он закрывается, U_вых становится равным напряжению питания. Затем конденсатор заряжается и одновибратор переходит в устойчивое состояние: U_вых=0,

Т₁- закрыт, Т₂- открыт и насыщен.

Одновибратор на ОУ. Чтобы снизить время перехода в устойчивое состояние надо подключить диод параллельно сопротивлению. Для того, чтобы ограничить перепады напряжения на входе к выходу подключают стабилизатор.

Компаратор. На выходе +E, если

U₂>U₁+U_смещ+E/k;

-E, если U₁>U₂+U_смещ+E/k

Триггер Шмидта. Имеет два устойчивых состояния U_вых="E. Для перехода из одного устойчивого состояния в другое необходимо подать на вход напряжение превышающее

ER₂ /R₁+R₂.

Фильтры. Обеспечивают преимущественное прохождение сигналов одних частот и непрохождение других частот. Фильтры низких чатот(пропускают только низкие частоты, например интегрирующая R-C цепь). Фильтры высоких частот. Полосо-пропускающие и полосо-заграждающие фильтры.

Логические элементы.

Характерезуются: потребляемой мощностью, выходные напряжения 0 и 1, пороговые напряжения и входные токи, входные и выходные сопротивления, рабочие температуры, быстродействие(время переключения и задержки), нагрузочная способность.

Сигнал на выходе однозначно определяется сигналом на входе.

Операции: не, и, или, исключающее или, или-не, и-не

X1
X2
и &
X1
X2
или 1
исключ. или =1

ТТЛ и ТТЛ(Ш)

ТТЛШ используют диоды Шоттки и имеют большее быстродействие чем ТТЛ и КМОП.

Входная, выходные и передаточная характеристика ТТЛ.

КМОП- построены на комплиментарных, т е взаимодополняющих МОП транзистерах. При подачи 1 на оба входа 1 и 2 закрываются, а 3 и 4 открываются→на выходе 0. Если Х2=0, то 1 откроется, 3 -закроется→на выходе 1. Достоинства: малая мощность, помехозащищённость, большое входное сопротивление, малое выходное, большая нагрузочная способность, температурная стабильность, малые размеры и малую энергию, затрачиваемую на одну операцию.

Триггеры. Являются последовательными устройствами. Асинхронные- запись осуществляется сразу после поступления сигнала. Синхронные- в момент подачи синхронизирующего импульса. Асинхронный и синхронный R-S триггер.

Комбинационные и последовательные устройства.

Комбинационные- сигнал на выходе зависит только от сигналов на входе, например любой логический элемент и сумматор.

Последовательные- сигнал на выходе зависит от сигналов на входе и предыдущего состояния, например R-S триггер и счётчик.

Сумматор и полусумматор. сумматор из двух полусуммат.

Полусумматор имеет два входа и два выхода-

“ВЗАИМОИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ”(младший разряд суммы) и “И”. Реализует сложение одноразрядных чисел. При сложении многоразрядных чисел они используются только для младшего разряда.

Сумматор должен иметь ещё один вход для переноса из более младшего разряда. Его можно реализовать с помощью двух полусумматоров.

Регистры. Предназначены для хранения и преобразования информации. Состоят из R-S- триггеров. Операции: приём и хранение информации в виде n разрядного двоичного числа. Передача числа в прямом и обратном порядке, сдвиг.

По способу приёма и выдачи информации делятся на параллельные последовательные(сдвиговые), параллельно-последовательные и универсальные. Сдвиг информации осуществляется путём подачи синхронизирующих импульсов.

Счётчик.

Последовательное устройство с одним информационным входом, и могут иметь приспособления сброса и установки начального значения. Характеризуются модулем счёта и быстродействием.

Бывают синхронные

(параллельные, нижний рисунок) и асинхронные(последовательные) счётчики.

Каждый следующий разряд асинхронного меняет своё значение при поступлении заднего фронта с предыдущего. Их быстродействие падает при увеличении числа разрядов.

Каждый разряд параллельного счётчика срабатывает только тогда, когда все младшие разряды перебрасываются с 1 на 0. Реализуется из J K триггеров. Переброс триггера происходит при подаче импульса на вход С при условии, что на все входы J и K подана 1.

Мультиплексор- прибор для подключения многих датчиков к одной линии. Если на управляющий вход a подать 1 то на выходе будет X₁, а если 0, то X₂.

Цифро-аналоговые преобразователи.

Схема R-2R. Может содержать большее число разрядов. Сопротивление всех верхних узлов на землю “слева” равно сопротивлению на землю и вход ОУ “справа” и равно 2R. Предполагается, что сопротивление источника U=0. Поэтому ток от каждого регистра в каждом узле раздваиваивается и ко входу ОУ продолжает идти только половина тока.

Аналогово- цифровые преобразователи.

Также есть следующий метод. Сигнал (отрицательный или –U_c) подаётся на интегрирующую цепочку на время определённого количества импульсов генератора импульсов. Затем счётчик сбрасывается и на интегрирующую цепочку подаётся постоянное напряжение до тех пор, пока компаратор не покажет, что напряжение на выходе стало меньше 0. Счётчик в это время считает импульсы. Затем компаратор отключает счётчик и со счётчика считывается полученный сигнал.

Микропроцессор

X-ПП-Аналоговый тракт-Аналогово цифровой преобразователь- Каналовая связь- ЭВМ-Регистрационное устройство

Тактовый генератор	Регистры памяти данных	Регистры памяти команд
Арифметико- логические устроуства
Сверх оперативнная память
Регистры внешних устройств

Производительность(частота) микропроцессоров постоянно возрастает из за конкурентной борьбы и уменьшения размеров и мощностей логических элементов(6 мкм- 1974г до 0,18 мкм- 2001)

Примечание. У Масленникова В. В. немереное количество задач на темы с участием диодов, операционных усилителей,

биполярных транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. Для успешной сдачи нельзя забывать правила Кирхгофа и

надо зазубрить:

1)По закрытому диоду(если напряжение <0.7 В) ток не течёт.

2)Если по диоду ток течёт, то U_диода =0,7В

3)Рисуя АЧХ R-C цепей знать, что при 0 частоте

R конденсатора=∞, а при бесконечной=0

4)Для любого усилителя |U_выхода|<E_{питания}

5)Условие открытости транзистора- U_{эмиттер}>0,7; U_{эмиттер-база}=0,7;

6)Условие насыщения транзистора- βI_базы=E/ R_к+R_э или

U_б > 0.7 + R_э E / R_к+R_э(одно является следствием другого)

7)Режим отсечки: U_{эмиттер}<0,7В (токи не текут, p-n переход закрыт)

8)Рабочий режим(открыт, но не насыщен): β =I_k/I_б>>1, U_к=E-R_эI_к, U_б=0,7+R_э I_э, I_к≈I_э

9)Понимать резистивный делитель, принцип суперпозиции и мнимой земли (требовать, чтобы объяснял, пока не поймёте).

При отсутствии ответа- переписывать соответствующий раздел.

Дата добавления: 2015-08-28