
- •Часть I
- •Тема 1. Физические основы электроники 4
- •Тема 2. Источники вторичного электропитания 69
- •Тема 3. Усилители электрических сигналов 95
- •Тема 4. Импульсные и автогенерирующие устройства 137
- •Тема 5. Цифровая электроника и микропроцессорная техника 163
- •Тема 1. Физические основы электроники
- •1.1. Основные понятия электроники. Электропроводность полупроводников
- •1.2. Электрические переходы
- •1.3. Электронно-дырочный переход
- •1.4. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода
- •1.5. Типы полупроводниковых диодов
- •1.6. Система обозначений полупроводниковых диодов
- •1.7. Транзисторы. Полевые и биполярные транзисторы
- •1.7.1. Устройство полевых транзисторов
- •1.7.2. Принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
- •1.7.3. Выходные статические характеристики полевого транзистора. Статические характеристики передачи полевого транзистора
- •1.7.4. Полевые транзисторы со встроенным каналом
- •1.7.5. Полевые транзисторы с индуцированным каналом
- •1.7.6. Малосигнальные параметры и система обозначений полевых транзисторов
- •1.7.7. Устройство и схемы включения биполярного транзистора
- •1.7.8. Режимы работы биполярного транзистора
- •1.7.9. Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме
- •1.7.10. Параметры биполярного транзистора
- •Система z - параметров
- •Система y - параметров
- •Система h - параметров
- •1.7.11. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •1.7.12. Система обозначения биполярных транзисторов
- •Тема 2. Источники вторичного электропитания
- •2.1. Принципы построения и классификация средств электропитания электронных устройств
- •2.2. Основные характеристики ивэп
- •2.3. Структурные схемы ивэп
- •2.4. Электрические фильтры
- •2.4.3. Полосовой lc-фильтр
- •2.4.4. Режекторный lc-фильтр
- •2.5. Выпрямители источников электропитания. Виды выпрямителей и их характеристики
- •2.5.1. Классификация выпрямителей
- •2.5.2. Однополупериодный выпрямитель
- •2.5.3. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой
- •2.5.4. Мостовая схема выпрямителя
- •2.5.5. Схема удвоения напряжения
- •2.5.6. Трехфазный выпрямитель
- •Тема 3. Усилители электрических сигналов
- •3.1. Основные понятия об усилителях и классификация усилителей
- •3.2.Основные характеристики и параметры усилителей
- •3.3. Характеристики и параметры усилителей, связанные с искажением сигналов в усилителе
- •3.4.Обратная связь в усилителях. Влияние ос на параметры усилителей
- •Влияние ос на параметры усилителей
- •3.5.Классы усиления транзисторных усилительных каскадов
- •3.6. Методы задания начального режима работы транзистора
- •3.7. Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером
- •3.8. Дифференциальный усилитель. Дрейф нуля в ду
- •3.8.1. Операционные усилители. Инвертирующие усилители. Неивертирующие усилители. Суммирующие и вычитающие усилители. Интеграторы
- •Инвертирующий усилитель
- •Неивертирующий усилитель
- •Суммирующий и вычитающий усилители
- •Интеграторы
- •3.9. Выходные усилители мощности
- •Тема 4. Импульсные и автогенерирующие устройства
- •4.1. Генерирующие и импульсные устройства. Передачи информации в импульсном режиме
- •4.2. Электронные ключи. Простейшие формирователи импульсных сигналов
- •4.2.1. Ключевой режим работы транзистора
- •Режим насыщения
- •4.2.2. Компараторы (схемы сравнения)
- •4.2.3. Триггер Шмитта
- •4.2.4. Мультивибраторы
- •4.2.5. Дифференцирующие rc цепи
- •4.2.6. Интегрирующие rc-цепи
- •4.2.7. Симметричный мультивибратор на оу
- •4.2.8. Одновибратор на оу
- •4.3. Генераторы линейно-изменяющегося напряжения (глин) на оу
- •4.3.1. Глин на оу с внешним запуском
- •4.3.2. Глин на оу в автогенераторном режиме.
- •4.4. Генераторы гармонических колебаний. Условия возникновения колебаний
- •4.4.1. Условия возникновения колебаний
- •4.4.2. Генераторы с rc-фазосдвигающими цепочками
- •4.4.3. Генераторы с мостом Вина
- •Тема 5. Цифровая электроника и микропроцессорная техника
- •5.1. Основные логические операции и их практическая реализация
- •5.1.1. Операция "не" (логическое отрицание или "инверсия")
- •5.1.2. Операция "или" (логическое сложение или дизъюнкция)
- •5.1.3. Операция "и" (логическое умножение или конъюнкция)
- •5.2. Типы логических микросхем
- •5.3. Элементы алгебры логики и синтеза комбинационных схем. Формы записи логических уравнений
- •5.3.1. Формы записи логических уравнений
- •5.3.2. Синтез комбинационных логических устройств
- •5.3.3. Реализация логических функций на элементах "и-не" и "или-не"
- •5.4. Интегральные комбинационные схемы
- •5.5. Логические устройства последовательного типа
- •5.5.1. Триггеры
- •5.5.2. Счётчики
- •5.5.3. Регистры
- •5.6. Цифровые запоминающие устройства
- •5.6.1. Структуры запоминающих устройств
- •5.7. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •5.7.1. Аналого-цифровые преобразователи
1.5. Типы полупроводниковых диодов
Все полупроводниковые диоды используют свойства выпрямляющего контакта металл-полупроводник либо электронно-дырочного перехода.
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. В зависимости от функционального назначения различают: выпрямительные диоды, лавинные диоды, выпрямительные столбы, выпрямительные блоки и сборки, универсальные и импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, диодные матрицы и сборки, стабилитроны, стабисторы, ограничители напряжения, генераторы шума, варикапы, варакторы, туннельные диоды, обращённые диоды, СВЧ-диоды, светоизлучающие диоды, излучающие диоды инфракрасного диапазона, фотодиоды и другие.
В технической документации и специальной литературе следует применять условные графические обозначения полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 2.730-73 (см. таб. 1.5.1.).
Таблица 1.5.1.
Наименование прибора |
Обозначение |
Наименование прибора |
Обозначение |
Наименование прибора |
Обозначение |
|
|
|
Рис. 1.5.1. Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды (см. рис. 1.5.1.) предназначены для преобразования переменного тока в однополярный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.
Рис. 1.5.2. ВАХ выпрямительного диода
Для p-n-перехода прямой ветви ВАХ в области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико. Ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон (см. рис. 1.5.2.). При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает.
При обратном смещении p-n-перехода основные носители заряда оттягиваются от p-n-перехода, высота потенциального барьера для них повышается, поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.
К основным статическим параметрам диода относятся:
прямое падение напряжения
при заданном прямом токе
;
постоянный обратный ток
при заданном обратном напряжении
К основным динамическим параметрам относятся:
- среднее за период значение выпрямленного тока;
- среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока;
- среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения;
- среднее за период значение обратного напряжения;
- граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня
К параметрам электрического режима относятся:
- дифференциальное сопротивление диода;
- ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует.
Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы.
К параметрам эксплуатационных режимов относятся:
- максимальное значение выпрямленного тока;
- максимальное значение допустимого обратного напряжения;
- максимальная допустимая мощность:
- минимальная температура окружающей среды для работы диода;
- максимальная температура окружающей среды для работы диода
Выпрямительные диоды делятся на:
Силовые (низкочастотные) для использования в выпрямителях =50кГцa.
Диоды малой мощности:
< 300мА
Диоды средней мощности: 300мА < < 10А
Диоды большой мощности: 10А <
Диоды маломощные (высокочастотные для применения в разного рода детекторах =10
100МГц)
Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шоттки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.
Рис. 1.5.3. Лавинные диоды
Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов, в которых нормируется напряжение лавинного пробоя (см. рис. 1.5.3.). Лавинные диоды используются для защиты цепей от перенапряжения.
Рис. 1.5.4. Выпрямительные столбы
Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях (см. рис. 1.5.4.).
Рис. 1.5.5. Выпрямительные блоки и сборки
Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста (см. рис. 1.5.5.). Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.
Рис. 1.5.6. Универсальные и импульсные диоды
Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров (см. рис. 1.5.6.).
Рис. 1.5.7. Тиристор
Тиристор — полупроводниковый прибор, с четырёхслойной структурой p-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями - состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт) (см. рис. 1.5.7.).
Рис. 1.5.8. ВАХ тиристора
Участок характеристики между точками OA соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением (см. рис. 1.5.8.). В этом случае основная часть напряжения Uпр падает на коллекторном переходе, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы и включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода. При достижении напряжения, называемого напряжением включения Uвкл, или тока, называемого током включения Iвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками BC, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками AB находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор - это управляемый диод.
Рис. 1.5.9. Диоды с накоплением заряда
Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) – разновидность импульсных диодов, имеющие малое время обратного восстановления (см. рис. 1.5.9.). Это достигается неравномерным легированием базы.
Рис. 1.5.10. Диодные матрицы
Диодные матрицы – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды (диоды соединяются в виде микросхем) (рис. 1.5.10), которые могут быть соединены между собой или изолированы.
|
|
Рис. 1.5.11. Стабилитрон |
Рис. 1.5.12. ВАХ стабилитрона |
Стабилитрон - полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного (или туннельного) пробоя от обратного тока через переход. При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uст ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина составляет значение 2÷50 Ом (рис. 1.5.12.).
К основным параметрам стабилитрона относятся:
напряжение стабилизации Uст при заданном токе стабилизации Iст;
дифференциальное сопротивление стабилитрона при заданном токе стабилизации:
температурный коэффициент напряжения стабилизации :
Для уменьшения температурного коэффициента стабилизации разработаны прецизионные стабилитроны. В них включены один или несколько прямосмещённых p-n-переходов.
Импульсный стабилитрон от обычных стабилитронов отличается повышенным быстродействием и применяется для стабилизации амплитуды импульсов.
Двухсторонний стабилитрон образован двумя импульсными стабилитронами, включёнными встречно. Стабилитроны обычно одинаковы, что приводит к симметричной ВАХ. Используются в двухсторонних ограничителях импульсов.
Рис. 1.5.13. Генератор шума
Генератор шума – это стабилитрон, работающий на грани пробоя (рис. 1.5.13.). Напряжение пробоя стабилитрона в этом режиме нестабильно, поэтому кроме постоянного напряжения генерируется шумовое напряжение. Спектр шума равномерен до частоты 3,5 МГц.
Стабистор – один или несколько последовательно включённых диодов (рис. 1.5.14.), в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ (рис. 1.5.15.).
|
|
Рис. 1.5.14. Стабистор |
Рис. 1.5.15. ВАХ стабистра |
Рис. 1.5.16. Ограничитель напряжения
Ограничитель напряжения – полупроводниковый диод, работающий в режиме туннельного или лавинного пробоя, предназначен для защиты электрических цепей от перенапряжения (рис. 1.5.16.). От обычных стабилитронов отличается высоким быстродействием и большими допускаемыми импульсными токами.
|
|
Рис. 1.5.17. Варикап |
Рис. 1.5.18. Вольт-ёмкостная характеристика варикапа |
Варикап – нелинейный конденсатор на основе p-n-переходов (рис. 1.5.17.), барьерная ёмкость С которого перестраивается с изменением напряжения U на нём (рис. 1.5.18.). При увеличении обратного напряжения смещения емкость варикапа уменьшается. Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты (силовой варикап). Используется в радиопередатчиках, там где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.
Рис. 1.5.19. ВАХ туннельного диода
Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах. Туннельный диод – СВЧ прибор, который работает в сантиметровом диапазоне волн (λ=1÷10 см). Туннельные диоды относятся к негатронам (имеют участок с отрицательным сопротивлением, n-образный участок) n-типа (рис. 1.5.19.). Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении.
Рис. 1.5.20. СВЧ-диод
СВЧ-диод предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн (рис. 1.5.20.) . В зависимости от выполняемой функции делятся на: смесительные, детекторные, параметрические, ограничительные, переключательные, умножительные, настроечные, генераторные (лавинно-пролётные диоды и диоды Ганна)
Рис. 1.5.21. Светоизлучающие диоды
Светоизлучающие диоды предназначены для преобразования элементарной энергии в энергию некогерентного излучения в соответствующем диапазоне волн (рис. 1.5.21.). Излучение возникает при рекомбинации неосновных носителей в базе прямосмещённого p-n-перехода с шириной запрещённой зоны более 1,8эВ.
Рис. 1.5.22. Фотодиоды
Фотодиод предназначен для преобразования световой энергии или энергии инфракрасного излучения в электрическую энергию. Используется в различных датчиках и оптронах (рис. 1.5.22.).