- •Методические указания к практическим занятиям по дисциплине
- •Часть 1
- •Введение
- •1 Полупроводниковые диоды
- •1.2 Методические указания для самостоятельной подготовки к занятию
- •1.3 Контрольные вопросы и задания
- •1.4 Примеры аудиторных задач
- •1.5 Задачи для самостоятельной работы
- •2 Транзисторы в режиме постоянных напряжений и токов
- •2.1 Цель занятия
- •2.3 Контрольные вопросы и задания
- •2.4 Примеры аудиторных задач
- •Значения внутренних физических параметров можно определить по таким соотношениям:
- •2.5 Задачи для самостоятельной работы
- •3 Расчет транзисторных ключевых каскадов
- •3.1 Цель занятия
- •3.2 Методические указания для самостоятельной подготовки к занятию.
- •3.3 Контрольные вопросы и задания
- •3.4 Примеры аудиторных задач
- •3.5 Задачи для самостоятельной работы
- •4 Схемы с логическими элементами
- •4.1 Цель занятия
- •4.2 Методические указания для самостоятельной подготовки к занятию.
- •4.3 Контрольные вопросы и задача
- •4.4 Примеры аудиторных задач
- •4.5 Задачи для самостоятельной работы
- •5 Оптоэлектронные приборы
- •5.1 Цель занятия
- •5.2 Методические указания для самостоятельной подготовки к занятию.
- •5.3 Контрольные вопросы и задания
- •5.4 Примеры аудиторных задач
- •5.5 Задачи для самостоятельной работы
- •Перечень ссылок
- •Приложение
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Методические указания к практическим занятиям по дисциплине
“КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА”
Часть 1
Харьков 2006
СОДЕРЖАНИЕ
Вступление ................................................................................................................... |
3 |
1. Полупроводниковые диоды ............................................................................... |
4 |
2. Транзисторы в режиме постоянных напряжений и токов .................................... |
15 |
3. Транзисторные ключевые каскады .................................................................... |
23 |
4. Схемы с логическими элементами ................................................................... |
37 |
5. Расчет схем с оптоэлектронными приборами..................................... |
44 |
Перечень ссылок .............................................................................................. |
54 |
Приложение Таблица соответствия зарубежных интегральных микросхем микросхемам производства СНГ........................... |
55 |
Введение
Дисциплина «Компьютерная электроника» является одной из основных дисциплин в области аппаратной подготовки студентов, которые обучаются по направлениям «Компьютерная инженерия», «Информационная безопасность».
Целью практических занятий есть закрепление теоретического материала, изученного на лекциях и развитие навыков:
– анализа распределения токов и напряжений в диодных и транзисторных схемах;
– применения логических элементов технологий КМОП и ТТЛ (и ее модификаций) для реализации логических функций, управления разной нагрузкой;
– проектирования схем преобразователей уровней цифровых сигналов;
– применения оптоэлектронных приборов.
Материалы для каждого занятия содержат основные вопросы теории по темы занятия, примеры решения аудиторных задач и варианты задач для решения во внеаудиторное время. Степень подготовленности к занятию оценивается с помощью контрольных вопросов и задач по темы занятия.
В задачах используются реальные диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, для которых есть большое количество справочных материалов как в библиотеке ХНУРЕ, так и в ресурсах Internet.
Полученные знания будут необходимые во время изучения дисциплин, связанных с аппаратными средствами компьютерных технологий.
1 Полупроводниковые диоды
Цель занятия
Освоить методику расчета схем с полупроводниковыми диодами, определения параметров диодов по ВАХ.
1.2 Методические указания для самостоятельной подготовки к занятию
Выучить разделы дисциплины, связанные с принципом работы полупроводниковых диодов [3,4,8].
Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор как правило с одним электрическим переходом и двумя выводами. Рассмотрим диод с электронно-дырочным (p-n) переходом, который разделяет p– и n-области кристалла полупроводника.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается выражением
, (1.1)
где UД – напряжение на p-n переходе;
φТ = kТ/q – тепловой потенциал, который равен контактной разности потенциалов φк на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т=300 К, φт =0.025 В);
k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютная температура;
q – заряд электрона;
I0 – обратный ток p-n перехода, образованный за счет неосновных носителей. Температурное изменение I0 определяется известной зависимостью
, (1.2)
где I0 – значение теплового тока при комнатной температуре Т0 = 300 К;
δТ – значение увеличения температуры, которое соответствует удвоению значения теплового тока. Значение δТ зависит от материала полупроводника и составляет приблизительно 10 К для германия и 7 К для кремния.
При отрицательных напряжениях порядка 0.1... 0.2В в формуле (1.1) экспонентной составляющей можно пренебречь (е – 4 ≈ 0.02), при положительных напряжениях, превышающих 0.1 В, можно пренебречь единицей (е 4 ≈ 54.6) поэтому ВАХ, описываемая этими соотношениями, будет иметь вид, приведенный на рис.1.1,а.
Рисунок 1.1 – Вольт-амперная характеристика диода
Вольт-амперная характеристика реального диода имеет вид, приведенный на рис.1.1, б (сплошная линия). Из нее следует, что при определенном значении обратного напряжения Uобр = Uпроб начинается лавиноподобный процесс нарастания тока Iобр, что вызывает электрический пробой p‑ n перехода (отрезок АВ на рис.1.1,б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки А). Такой процесс нарастания тока Iобр характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n перехода наступает практически одновременно с началом лавиноподобного процесса нарастания тока Iобр. Электрический пробой обратим, то есть после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной области ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход.
Полупроводниковый диод характеризуется статическими и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, которые легко определяются по ВАХ. Дифференциальное сопротивление rД численно равно отношению бесконечно маленького увеличения напряжения к соответствующему увеличению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как котангенс угла между касательной в рассмотренной рабочей точке ВАХ диода и осью абсцисс (штриховая линия на рис 1.1,б с углом наклона β):
rД = d/d ≈ δU/δI = (m/m)ctg β, (1.3)
где δU и δI – конечные приращения напряжения и тока близ рабочей точки Е;
m и m – масштабы осей напряжения и тока.
Статическое сопротивление Rст численно равняется отношению напряжения на элементе UЕ к току, который протекает через него, ІЕ (см. рис. 1.1,б). Это сопротивление равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной с начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:
Rст = UЕ/IЕ = (m/m) ctg . (1.4)
В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение Rст может быть меньшим, или большим значения rД.
Некоторые типы полупроводниковых диодов.
Выпрямительные диоды. Применяются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный. Выпpямительные диоды pазличают по материалу, который используется для p-n перехода (германий , кремний и др.), а также, по допустимому значению прямого тока (диоды маленькой, средней и большой мощности).
Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, то есть в устройствах формирования импульсных сигналов, а также в ключевых и логических схемах. Импульсные диоды, как правило, имеют маленькую площадь электрического перехода. Это позволяет существенным образом снизить емкость перехода (не выше единиц пикофаpад), что в особенности важно для уменьшения времени переходных процессов в диоде. Однако вследствие маленькой площади перехода импульсные диоды характеризуются низкой допустимой мощностью (20-30 мвт).
Полупроводниковый стабилитрон. Это диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является область пробоя p-n перехода при его обратном включении. Стабилитроны используются для стабилизации, фиксации уровней напряжений.