_{МИНИСТЕРСТВО} СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Утверждаю: Проректор по учебной работе профессор ______П.Б. Акмаров «____»__________2012 г.

ЭЛЕКТРОНИКА: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ

Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям

«Агроинженерия» и «Теплоэнергетика и теплотехника»

дневной и заочной форм обучения

В.А. Куликов

П.Н. Покоев

Ижевск

ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

2012

УДК 621.38(084.2)

ББК З2.85яб

Э 45

Методические указания составлены на основе Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и программы дисциплины «Электротехника и электроника».

Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, протокол № от 2012 г.

Рецензент

С.И. Юран - доктор техн. наук, профессор кафедры

автоматизированного электропривода

Составители:

В. А. Куликов - доктор техн. наук, профессор кафедры ТОЭ,

П.Н. Покоев - ст. преподаватель кафедры ТОЭ

Э 45 Электроника: лабораторный практикум на персональном компьютере: учебное пособие /В. А. Куликов, П.Н. Покоев. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2012. – 110 с.

Учебное пособие содержит теоретические материалы, касающиеся принципа работы основных элементов и базовых схем электронной техники, и описание лабораторных работ, выполняемых на персональном компьютере с помощью программы «Micro-Cap».

Предназначены для студентов направления «Агроинженерия» и «Теплоэнергетика и теплотехника». Могут быть полезны при выполнении курсовых и дипломных проектов и магистерских диссертаций в плане освоения техники моделирования электронных схем.

© Куликов В.А., Покоев П.Н., сост., 2012

© ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА 2012

Введение

Компьютерное моделирование электронных схем существенно упрощает процедуру и сокращает сроки разработки новых изделий. При этом сокращаются затраты на макетирование: во многих случаях отпадает необходимость в многократном макетировании вариантов схем, так как их свойства могут быть исследованы с помощью компьютера.

Программа Micro-Cap разработана фирмой Spectrum Software и обладает следующими возможностями:

• позволяет производить анализ электронных схем по постоянному току (расчет постоянных напряжений и токов в цепях схемы), по переменному току (расчет диаграмм Боде), расчет реакции на ступенчатое воздействие или импульс, спектральный анализ и др.;

• имеется удобный графический редактор принципиальных схем, позволяющий быстро вводить и редактировать схемы на экране монитора;

• в состав программы входит библиотека компонентов, включающая в себя наиболее популярные цифровые и аналоговые интегральные схемы и компоненты типа диодов, биполярных, полевых и МОП-транзисторов и т. д.;

• модели (макромодели) компонентов, применяемые в программе, могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом формате SPICE, используемом другими моделирующими программами;

• имеется возможность производить анализ при вариации параметров элементов схемы и статистический анализ по методу Монте-Карло;

• по заданным критериям может быть выполнена оптимизация схемы по методу Пауэлла;

• результаты моделирования могут выводиться в виде графиков или таблиц в текстовой форме, имеются сервисные возможности обработки графиков;

• принципиальные схемы и результаты анализа могут быть сохранены в форматах, применяемых в других моделирующих программах и графических редакторах.

Для использования всех возможностей программы Micro-Cap необходим компьютер средней производительности: процессор не хуже Pentium II; ОЗУ объемом не менее 64 Мб; операционная система Windows 95/98/ME или Windows 2000/NT4/XP/7.

Программа удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем и весьма эффективна при изучении основ электроники и схемотехники.

В методических указаниях приводятся примеры моделирования относительно простых схем, изучаемых в дисциплине «Электроника, микропроцессорные средства и техника связи». Целью ставится не только изучение свойств схем, но и освоение основных приемов работы с моделирующей программой.

Освоение программы существенно упрощается, если обучающийся владеет приложениями Office операционной системы Windows, так как в Micro-Cap используется похожий интуитивный интерфейс.

При составлении схем и проведении моделирования с помощью Micro-Cap необходимо иметь в виду, что значения величин могут приводиться без указания размерностей. При этом кратные доли обозначаются большими или малыми латинскими буквами:

F или f	фемто
Р или р	пико
N или n	нано
U или u	микро
M или m	милли
K или к	кило
MEG или meg	мега	10
G или g	гига
Т или t	тера

Например, напряжение 1В может быть записано как 1, сопротивление 1МОм – как 1МEG, емкость 1мкФ – как 1U и т. д. В качестве разрядного разделительного знака в Micro Cap используется точка.

Лабораторные работы ориентированы на использование учебной версии программы Micro-Cap, которую можно найти на сайте компании-разработчика www.spectrum-soft.com.

Для более детального освоения программы рекомендуется прочитать книгу Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. – М.: Горячая линия. – Телеком, 2003. – 368 с.

Работа 1

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Цель работы: изучение принципа работы, свойств и применений полупроводниковых диодов.

1.1 Теоретические сведения

1.1.1 Законы электричества в полупроводниках

В полупроводниках существуют два типа свободных носителей – электроны проводимости и дырки, которые могут направленно перемещаться под действием двух типов сил – электрического поля и градиента концентрации, поэтому в уравнении для плотности тока присутствуют четыре компонента:

- плотности дрейфового тока электронов и дырок

, (1.1.1)

, (1.1.2)

где q – заряд электрона или дырки; n, p – концентрации электронов и дырок; - подвижность электронов и дырок – коэффициенты пропорциональности, которые характеризуют количество носителей, проходящих через единицу площади полупроводника при единичной концентрации и единичной напряженности электрического поля; Е – напряженность электрического поля;

- плотности диффузионного тока электронов и дырок

, (1.1.3)

, (1.1.4)

где , - коэффициенты диффузии электронов и дырок – количество носителей, проходящих через единицу площади полупроводника при единичном градиенте их концентрации; , - градиенты концентрации электронов и дырок.

Таким образом, полное уравнение для плотности тока в полупроводнике имеет вид

. (1.1.5)

Принцип действия полупроводниковых приборов обычно основан на использовании не более чем двух компонентов уравнения (1.1.5). Если используют дрейфовые компоненты, то прибор называют дрейфовым, если диффузионные – диффузионным.

1.1.2 P-n- переход в равновесном состоянии

P-n-переход образуется в зоне контакта двух полупроводниковых областей с проводимостью n- и p-типа. Различаются симметричные и несимметричные переходы.

В несимметричных переходах концентрации атомов примесей – доноров в n-области и акцепторов в p-области – отличаются. Соответственно, в областях отличаются концентрации основных носителей.

Чаще используются несимметричные переходы.

Рассмотрим срез кристаллической решетки несимметричного p-n-перехода, в котором укажем только атомы примесей и соответствующие им примесные носители (рис. 1.1).

В теле полупроводниковых областей каждому атому примеси соответствует один подвижный носитель. В зоне перехода за счет градиента концентрации электроны из n-области, а дырки из p-области диффундируют в другую область и, встречаясь, рекомбинируют. В результате в зоне контакта образуется обедненный носителями слой толщиной W с повышенным сопротивлением, который и образует p-n- переход.

	, - ионизированные атомы примесей доноров и акцепторов; , - электроны проводимости и дырки
Рисунок 1.1 – Несимметричный p-n- переход

За счет объемных зарядов ионов примесей в зоне перехода возникает внутреннее электрическое поле Е. Это поле препятствует бесконечной диффузии основных носителей через переход. Устанавливается баланс (равновесие) сил, обусловленных градиентом концентрации и внутренним электрическим полем, действующих на электроны проводимости и дырки. В результате ток через переход не течет.

Можно рассуждать по-другому. Диффузия основных носителей через переход создает диффузионный ток плотностью

. (1.1.6)

Под действием внутреннего электрического поля через переход создается дрейфовый ток электронов и дырок в направлении, противоположном диффузионному току, с плотностью

. (1.1.7)

В равновесном состоянии перехода диффузионный и дрейфовый токи компенсируют друг друга, поэтому общий ток перехода равен нулю.

Как видно из рис. 1.1, несимметричный переход геометрически смещен в область с меньшей концентрацией атомов примесей (здесь – в область p-типа). Эта область называется базой перехода, другая область – эмиттером.

1.1.3 P-n-переход в неравновесном состоянии

Неравновесное состояние возникает при подключении к переходу внешнего источника электрической энергии.

Возможны два варианта подключения источника – прямое и обратное.

Прямое подключение (смещение) перехода показано на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Прямое подключение p-n-перехода

Поскольку переход обладает повышенным сопротивлением, то все напряжение U внешнего источника прикладывается к нему. Внутри перехода создается дополнительное (внешнее) электрическое поле , направленное противоположно внутреннему полю объемного заряда и частично компенсирующее его. В результате снимается препятствие для диффузии основных носителей через переход. Так как концентрация основных носителей достаточно большая, возникает большой диффузионный ток через переход, который называется прямым током .

В несимметричном переходе прямой ток обеспечивается преимущественно носителями одного типа. В нашем случае – электронами, которые перемещаются из эмиттера в базу. Эмиттер выступает источником носителей (создает эмиссию носителей), отсюда его название.

Обратное смещение перехода показано на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 – Обратное подключение p-n-перехода

Поле , создаваемое внешним напряжением U, совпадает по направлению с внутренним Е и усиливает его действие. Диффузия основных носителей через переход становится невозможной. Протекает небольшой обратный ток , обусловленный дрейфом неосновных носителей через переход – электронов из p- и дырок из n-области. Поскольку их концентрация существенно меньше концентрации основных носителей, то обратный ток перехода много меньше прямого тока. Отношение прямого и обратного токов может достигать шести порядков.

При прямом смещении толщина перехода уменьшается за счет движения основных носителей из глубины полупроводника к переходу. При обратном смещении толщина увеличивается за счет оттока основных носителей вглубь полупроводника. Таким образом, существует зависимость толщины перехода от внешнего напряжения: W=f(U).

P-n переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство называется вентильным (выпрямительным) эффектом.