Лабораторный практикум по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» для студентов инженерно-технических специальностей. Ч. 1. Элементная база

отсеке ADDRESS индицируется номер текущей ячейки (CURRENT), ячейки начала работы (INITIAL) и конечной ячейки (FINAL). Генератор имеет внутренний (кнопкой INTERNAL) или внешний (кнопкой EXTERNAL) запуски. Последний осуществляется по переднему или заднему фронту (устанавливается кнопками режима запуска) сигнала синхронизации, поступающего на вход запуска. Сигнал с клеммы DATA READY сопровождает каждую выдаваемую на выход кодовую комбинацию.

3. Логический анализатор (Logic Analyzer) – 16-канальный анализатор логических уровней (рисунок 1.5). Прибор предназначен для визуального наблюдения логических уровней в шестнадцати точках схемы. Анализатор снабжен двумя визирными линейками, что позволяет получать точные отсчеты временных интервалов Т1, Т2 и Т2-Т1, а также линейкой прокрутки по горизонтали. В блоке Clock имеются клеммы для подключения как обычного (External),

Визирны

е

линейки

Рисунок 1.5 – Логический анализатор

так и избирательного (Qualifier) источника запускающих сигналов, параметры которых могут быть установлены с помощью меню, вызываемого кнопкой (Set). Дополнительные условия запуска анализатора могут быть выбраны с помощью диалогового окна, которое вызывается кнопкой Set в блоке Trigger.

4. Логический преобразователь (Logic Converter), показанный на рис.1.6, имеет: клеммы-индикаторы входов А, В,…,Н и один выход OUT; экран для отображения таблицы истинности исследуемой схемы; экран-строка для отображения ее булевого выражения.

11

Преобразователь используется для преобразования или нахождения таблицы истинности схемы, преобразования таблицы истинности в функцию алгебры логики, преобразования таблицы истинности в упрощенную логическую формулу, преобразования логической формулы в таблицу истинности, а также для преобразования логической формулы в логическую схему в базисе “И-ИЛИ-НЕ” либо в базисе “И-НЕ” и др.

Рис.1.6 – Логический преобразователь

Для создания таблицы истинности требуется нажать кнопку мыши требуемое количество раз (до восьми) в кружках, обозначенных латинскими буквами “A, B, C, D, E, F, G и H”. При этом в поле значений входов появятся последовательные многоразрядные двоичные числа. Чтобы уменьшить число разрядов, следует также нажать левую кнопку мыши в кружках требуемых входов. После этого можно подвести курсор мыши к нужному разряду, нажать левую кнопку мыши, при этом логическое значение выделится квадратиком, и изменить значение на “1” или

“0”.

После этого таблицу истинности можно преобразовать в логическую формулу или упрощенную логическую формулу, логическую формулу можно преобразовать в схему в базисе “И- ИЛИ-НЕ” или базисе “И-НЕ”, нажав левой кнопкой мыши на определенную кнопку логического преобразователя.

Для преобразования схем нужно подключить входы схем к входам логического преобразователя, а выход схемы – к выводу “OUT” логического преобразователя, после этого можно преобразовывать схему. Для этого надо подвести курсор мыши к

12

прибору, нажав и удерживая левую кнопку мыши, перетащить его в нужное место схемы.

5.Осциллограф (Oscilloscope) имеет два канала (CHANNEL) А и

Вс раздельной регулировкой чувствительности и регулировкой смещения по вертикали (Y POS) (рисунок 1.7).

Запуск развертки по

Режим развертки

Рисунок 1.7. – Осциллограф

Выбор режима по входу обеспечивает: наблюдение сигналов переменного (AC) тока (режим «закрытого входа»); наблюдение сигналов как переменного, так и постоянного тока (DC) (режим «открытого входа»); замыкание входа на землю (режим 0).

Режим развертки обеспечивает следующие режимы развертки: Y/T – по вертикали напряжение сигнала, по горизонтали – время; B/A – по вертикали – сигнал В, по горизонтали – сигнал А; А/В – по вертикали – сигнал канала А, по горизонтали – сигнал В. В режиме Y/T устанавливается длительность развертки (TIME BASE) с возможностью смещения по горизонтали (X POS). Кроме того, предусмотрен также ждущий режим (TRIGGER) с запуском развертки (EDGE) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала при регулируемом уровне (LEVEL) запуска, а также в режиме AUTO (от канала А или В), от канала А, от канала В или от внешнего источника (EXT), подключаемого к зажиму в блоке управления TRIGGER. Заземление осциллографа осуществляется с помощью клеммы GROUND.

При нажатии кнопки EXPAND лицевая панель меняется - увеличивается размер экрана, появляется возможность прокрутки изображения по горизонтали и его сканирования с помощью вертикальных визирных линий. При этом в индикаторных окошках

13

под экраном приводятся результаты измерений напряжения, временных интервалов и их приращений (между визирными линиями). Изображение можно инвертировать нажатием кнопки REVERSE и записать данные в файл (SAVE). Возврат к исходному состоянию осциллографа производится нажатием кнопки REDUCE.

6.Функциональный генератор (Function Generator) показан на рисунке 1.8. Возможны установить следующие формы выходного сигнала: синусоидальный, треугольный и прямоугольный. Частота сигнала задается в окне FREQUENCY, амплитуда – в окне AMPLITYDE, смещение – в окне OFFSET, коэффициент заполнения в процентах – в окне DUTY CYCLE. Сигнал подается на моделируемую схему через выходные зажимы «+», «-». Причем, при заземлении клеммы COM (общий) получаем на выходах парафазный сигнал.

Рисунок 1.8. – Функциональный генератор

7.Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter), показанный на рис.1.9.предназначен для анализа амплитудно-частотных (кнопка MAGNITUDE включена) и фаза-частотных ( при нажатой кнопке PHASE) характеристик при логарифмической (кнопка LOG) или линейной шкале по осям Y (VERTICAL) и X (HORIZONTAL).

Выбор пределов измерения коэффициентов передачи и вариации частоты осуществляется с помощью кнопок в окошках F – максимальное и I – минимальное значение. Значение частоты и коэффициента передачи или фазы индицируются в окошках в правом нижнем углу. Значения указанных величин можно получить с помощью вертикальной визирной линейки. Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются ко

14

входу и выходу исследуемого устройства, а правые – к общей шине. Ко входу устройства нужно подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения.

Рисунок 1.9. – Измеритель АЧХ и ФЧХ

2.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться по данным методическим указаниям с правилами работы и основными базовыми элементами программы «Электронная лаборатория».

2.Запустить программу в среде «Windows».

4.Нарисовать схему, заданную преподавателем, и выполнить ее анализ, используя средства программы «Электронная лаборатория».

5.Сделать выводы по работе, в которых отразить особенности анализа схем при помощи программы «Электронная лаборатория».

3.Содержание отчета

Наименование и цель работы, краткая характеристика программы «Электронная лаборатория», перечень основных элементов анализа программы с кратким их описанием, схема заданная преподавателем (построенная средствами программы «Электронная лаборатория»), ответы на заданные преподавателем контрольные вопросы, выводы по работе.

15

4.Контрольные вопросы

1.Назначение программы «Электронная лаборатория».

2.Для чего служит логический анализатор в программе?

3.Назначение мультиметра в программе.

4.Выделите особенности логического преобразователя.

5.Назначение осциллографа.

6.Для чего служит генератор слова?

7.Назначение измерителя АЧХ и ФЧХ.

8.Опишите процедуру создания блока пользователя.

9.Охарактеризуйте основные элементы управления программой.

10.В чем заключаются особенности создания схем при помощи программы «Электронная лаборатория»?

16

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Ц е л ь р а б о т ы. Изучить принципы работы полупроводниковых диодов, их назначение, основные параметры.

1. Краткие сведения из теории Основы принципов работы диодов

Принцип действия полупроводниковых диодов основан на свойствах контакта двух кристаллов с различными типами проводимости: p-дырочной и n-электронной. Первый получается путем легирования полупроводника акцепторной примесью, второй

– легированием полупроводника донорной примесью. В месте контакта кристаллов [2] образуется узкая область, называемая p-n переходом. В p-области концентрация дырок (основных носителей зарядов) значительно превышает концентрацию электронов (неосновных носителей). В n-области, наоборот, концентрация электронов (основных носителей зарядов) выше концентрации дырок (неосновных носителей). Эти большие градиенты концентраций электронов и дырок вызывают диффузионные потоки (токи) дырок из p-области в n-область, а электронов из n-области в p-область. Когда дырки диффундируют из p- области, в ней остается равное число отрицательных неподвижных ионов акцепторной примеси. Аналогично, когда электроны диффундируют из n-области в ней остаются положительные неподвижные ионы донорной примеси. Эти прилегающие к переходу области, содержащие неподвижные заряды, образуют область пространственного (объемного) заряда, потенциальный барьер. В результате чего возникает электрическое поле, препятствующее диффузионному току и способствующее движению неосновных носителей заряда – дрейфовому току. Дрейфовый ток направлен встречно диффузионному. Когда суммарный ток становится равным нулю, наступает динамическое равновесие. Нужно сказать, что диффузия и дрейф происходит

17

только вблизи перехода, а вдали от него, p- и n-области нейтральны и однородны.

Если к p-n переходу приложить внешнее напряжение таким образом, чтобы p-область стала положительной по отношению к n- области, то все приложенное напряжение в основном падает на область объемного заряда. Внешнее напряжение уменьшает электрическое поле в области объемного заряда относительно значения, соответствующего равновесию. Баланс между диффузией и дрейфом носителей заряда нарушается и начинает преобладать диффузионная составляющая. Требуется довольно небольшое напряжение (меньше 1 В), чтобы получить большие токи. Такая полярность напряжения соответствует прямому напряжению или прямому смещению. При прямом смещении концентрация неосновных носителей вблизи перехода сильно возрастают, это увеличение концентрации вследствие диффузии называется

инжекцией неосновных носителей.

Когда к p-n переходу приложено напряжение обратной полярности - обратное смещение, то оно также почти целиком прикладывается к области объемного заряда и изменяет электрическое поле. Однако в этом случае напряжение увеличивает поле объемного заряда и препятствует диффузии основных носителей. Перенос зарядов за счет диффузии фактически прекращается, а поле вытягивает неосновные носители из соответствующих нейтральных областей и заставляет их дрейфовать через область объемного заряда. Данный отрицательный ток через переход называется обратным током. При обратном смещении, при котором прекращается диффузия (обычно это доли вольта), ток перестает зависеть от дальнейшего увеличения напряжения. Так как концентрация неосновных носителей на много порядков меньше концентрации основных носителей, то обратный ток будет во много раз меньше, чем ток при прямом смещении. Тем самым электронно-дырочный переход обладает выпрямляющими свойствами: он гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом.

Вольтамперная характеристика p-n перехода описывается выражением [2]:

I= I0 [exp(U/ Ut)-1],

18

где I-ток через переход при напряжении U, I0 – обратный ток, Ut

– температурный потенциал, равный при комнатной температуре 26 мВ.

Если к переходу подключить обратное напряжение, то при определенном значении переход пробивается. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий – с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. “просачивание” электронов сквозь тонкий потенциальный барьер перехода. В основе лавинного пробоя лежит “размножение” носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей полупроводника. В результате рождается новая пара электрон-дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением. Явление пробоя находит практическое применение в стабилитронах – приборах, предназначенных для стабилизации напряжения. В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока, что может привести к разрушению этого перехода. Тепловой пробой не имеет самостоятельного значения, он может начаться лишь в результате лавинного или туннельного пробоя.

При контакте с полупроводниками некоторых металлов, вблизи границы металл – полупроводник в полупроводнике возникает слой объемного заряда. Данный переход является также выпрямляющим, и называется барьером Шоттки. Барьер Шоттки нашел применение в диодах Шоттки, отличающихся малым уровнем шумов и высоким быстродействием.

Для изготовления диодов используют германий, кремний, соединения галлия. Диоды представляют собой большой класс полупроводниковых приборов включающий: диоды выпрямительные, универсальные, импульсные; выпрямительные столбы и блоки; диоды сверхвысокочастотные; варикапы; диоды

19

туннельные и туннельные обращенные; диоды излучающие; генераторы шума; диоды Ганна; стабилизаторы тока; стабилитроны

истабисторы; динисторы, тринисторы и симметричные динисторы

итринисторы и др.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно до 50 кГц). Основные параметры: постоянное прямое Uпр и обратное Uобр напряжение, постоянный прямой Iпр и обратный Iобр ток, средний (за период) прямой Iпр.ср и обратный Iобр.ср ток, средняя рассеиваемая мощность Pср, максимально допустимые: постоянное обратное напряжение Uобр.max; постоянный прямой ток Iпр.max; средний выпрямленный ток

Iвып. ср.max; средний прямой ток Iпр.ср.max.

Высокочастотные диоды – приборы универсального назначения

– для выпрямления токов с частотой до 10 кГц, модуляции. Детектирования сигналов и других нелинейных преобразований.

Стабилитроны и стабисторы (рис. 2.1) предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении протекающего через них тока. У стабилитронов рабочей является обратная ветвь, у стабисторов – прямая, а двуханодных стабилитронов – обе ветви.

Варикап – диод, емкость которого можно изменять в широких пределах путем приложения обратного напряжения. Варикапы используют в устройствах автоподстройки частоты, генераторах. Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала. Называется варактором.

Вольт - амперная характеристика туннельного диода содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (отношением приращения напряжения к приращению тока). Данный диод используют в усилителях и генераторах, импульсных устройствах.

В светодиоде предусмотрена возможность вывода светового излучения из области перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. При прохождении через диод тока в прилегающих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов – электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется в виде квантов света. Излучение может иметь длину волны либо в области видимого света (от красного до голубого), либо невидимого – инфракрасного. Важнейшими

параметрами светодиода является яркость, измеряемая в нитах при

U

20