Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы телекоммуникаций. Базовые компоненты телекоммуникационных систем. Учебное пособие для СПО
.pdf
21
Значения прямого тока и прямого напряжения для оптимального режима
Параметр
Кремниевый диод
Германиевый диод
Uпр, В
0,7
0,3
I0
~1 мкА
~100мкА
Температурная
стабильность
до 2000С
до 850С
Скорость переключения
высокая
низкая
Помехозащищенность
высокая
низкая
Коэффициент усиления
низкий
высокий
Стоимость
низкая
высокая
обр
пр
U
U
обр
пр
в
е
I
I
К ==
работы диода определяются в точках пересечения нагрузочной прямой с ВАХ
диода.
Таким образом, к основным количественным характеристикам диода
относятся:
− значение прямого напряжения Uпр;
− пиковое значение обратного напряжения U
обр пик
;
− ток утечки I0;
− скорость переключения;
− коэффициент выпрямления;
− помехозащищенность;
− стоимость.
В зависимости от материала, из которого выполнен диод, различают
кремниевый диод и германиевый диод. В таблице 2.1 представлена
сравнительная таблица.
Таблица 2.2 – Сравнительные характеристики диодов
Согласно таблице 2.2, кремниевые диоды обеспечивают стабильную
работу в широком диапазоне температур, высокую скорость переключения и
помехозащищенность, поэтому они используются для выпрямления сигнала,
как модулятор и регулятор напряжения. Логика, построенная на диодах,
использовалась при создании первых компьютерных технологий. Но в связи с
высоким падением напряжения на диодах данная логика не позволяет
разрабатывать большие и сверхбольшие микросхемы.
Для оценки эффективности работы выпрямительного диода
рассчитывается коэффициент выпрямления по формуле (2.9)
. (2.9)
22
Германиевые диоды применяются в аппаратуре, работающей с низкими
VD1
VD2
X2
X1
Y=X1+X2
r
VD1
VD2
L
L
L
VD1
VD2
X2
X1
Y=X1*X2
r
+Uпит
VD1
VD2
Н
Н
Н
напряжениями сигналов, в частности, как светочувствительный элемент
используется в фотодиодах.
На рисунках 2.8 и 2.10 представлены схемы логического элемента OR
(ИЛИ) и логического элемента AND (И) соответственно, построенные по
диодной логике.
Рисунок 2.8 – Схема логического элемента OR
Если на один вход или на оба входа подать логическую единицу (рисунок
2.8), то ток будет течь через диод (диоды) и на выходе будет логическая
единица. Пояснения к работе данного логического элемента представлены на
рисунке 2.9.
Рисунок 2.9 – Пояснение к работе логического вентиля
Рисунок 2.10 – Схема логического элемента AND
23
Если на входы подать логическую единицу (рисунок 2.10), то ток через
VD1
VD2
L
L
r
L
+Uпит
VD1
VD2
Н
Н
r
Н
+Uпит
диоды не течет, следовательно, на выходе будет напряжение, равное
напряжению питания, т.е. логическая единица. Если хотя бы на один из входов
подать логический ноль, то на выходе будет тоже логический ноль.
Графическое пояснение приведено на рисунке 2.11.
Рисунок 2.11 – Пояснение к работе логического элемента AND
Особенности диодной логики:
− диодная логика не позволяет реализовать инвертор, т.е. элемент
NOT;
− нет возможности усиливать входные сигналы;
− нет возможности произвести каскадное соединение логических
элементов;
− высокая чувствительность к колебаниям входных сигналов.
В связи с перечисленными особенностями диодная логика не
используется для разработки цифровой аппаратуры на современном этапе, но в
настоящее время в ряде микропроцессоров для хранения данных используется
диодная матрица. Диодная матрица – это двумерная сетка из проводов, и в
каждом пересечении проводов располагается диод.
2.3. СТАБИЛИТРОН
Стабилитрон – полупроводниковый диод, работающий при обратном
смещении в режиме пробоя. УГО стабилитрона показано на рисунке 2.12.
а б
Рисунок 2.12 – УГО стабилитрона: а – ограничитель напряжения
односторонний, б – ограничитель напряжения двухсторонний
24
Основное отличие стабилитрона от выпрямительного диода заключается в
Uвх
Uвых
+
-
r
б
r
н
I
н
I
ст
I
I пр
Δ
Iст
U пр
Δ
U ст
I ст min
I ст max
I ст
Uст min
Uст
Uст max
100
=
ст
U
Ucт
ТКН
том, что выпрямительный диод при обратном подключении источника
(обратном смещении) не пропускает ток, а стабилитрон при достижении
конкретной величины обратного напряжения начинает пропускать ток в
обратном направлении. На рисунке 2.13 представлена схема включения
стабилитрона.
Рисунок 2.13 – Схема включения стабилитрона
На рисунке 2.13 rб – балластный резистор, rн – нагрузочный резистор.
ВАХ стабилитрона показана на рисунке 2.14.
Рисунок 2.14 – ВАХ стабилитрона
, (2.10)
На рисунке 2.14 показаны минимальные, номинальные и максимальные
токи и напряжения стабилизации. Одним из основных параметров
стабилитрона является температурный коэффициент напряжения, который
рассчитывается по формуле (2.10)
25
1
21
Т
ТТ −
=
, (2.11)
нст
ствхствх
б
II
UU
I
UU
r
+
−
=
−
=
ст
ст
дст
I
U
r
=
где Т1 – начальная температура;
Т2 – текущая температура.
Балластное сопротивление определяется по формуле (2.12), а
динамическое сопротивление стабилитрона – по формуле (2.13).
, (2.12)
. (2.13)
К основным характеристикам стабилитрона относятся:
− номинальное напряжение стабилитрона;
− диапазон рабочих токов: минимальный и максимальный токи
стабилитрона;
− максимальная рассеиваемая мощность.
Стабилитрон предназначен для:
− стабилизации напряжения в источниках питания;
− формирования опорного напряжения для аналогово-цифровых
преобразований;
− подавления импульсных помех.
В настоящее время разработаны интегральные стабилитроны,
являющиеся прецизионными источниками опорного напряжения для систем
телекоммуникации. Интегральные стабилитроны изготавливаются из
монокристаллического кремния по планарной технологии.
2.4. САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Эксплуатационные характеристики светоизлучающего диода.
2. Эксплуатационные характеристики выпрямительного диода.
3. Эксплуатационные характеристики стабилитрона.
4. Вольтамперная характеристика светоизлучающего диода.
5. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.
6. Вольтамперная характеристика стабилитрона.
7. Диапазон длин волн видимого диапазона.
8. Схемы включения светоизлучающего диода.
9. Схемы включения выпрямительного диода.
26
10. Схемы включения стабилитрона.
11. Спектральная характеристика светоизлучающего диода.
12. Световая характеристика светоизлучающего диода.
13. Диаграмма направленности светоизлучающего диода.
14. Расчет ограничительного сопротивления в схеме включения диода.
15. Схемы включения светодиодов: формирователя с активным низким
уровнем; формирователя с активным высоким уровнем.
16. Передаточная характеристика при включении светодиода в
формирователе с активным низким уровнем.
17. Передаточная характеристика при включении светодиода в
формирователе с активным высоким уровнем.
18. Какие параметры определяют по спектральной характеристике
светоизлучающего диода (представить методику определения).
19. Какие параметры определяют по световой характеристике
светоизлучающего диода (представить методику определения).
20. Какие параметры определяют по диаграмме направленности
светоизлучающего диода (представить методику определения).
21. Типы и условные обозначения полупроводниковых диодов.
22. Как определить тип свечения светодиода. Какие параметры
необходимо учитывать для формирования свечения светодиода
определенного цвета.
23. Какие параметры определяют по вольтамперной характеристике
выпрямительного диода.
24. Какие параметры определяют по вольтамперной характеристике
стабилитрона.
25. Изобразить логические схемы, реализующие функции AND, OR.
26. По ВАХ определить температурный коэффициент напряжения. Для
расчета учесть, что первоначальная температура равна 200С,
изменение температуры на 250С.
27. По ВАХ определить дифференциальное сопротивление
стабилизации.
28. Рассчитать балластное сопротивление. Для расчета принять
I=0.95I
ст max
; Uвх=U
, измеренное при 0,95I
обр
ст max
.
27
ГЛАВА 3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ
p n p n p n
к к
б
б
э э
кбэ
III +=
3.1. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
. Основные понятия о биполярных транзисторах
3.1.1
Биполярные транзисторы – это трехэлектродный полупроводниковый
диод, в котором формируется два p-n-перехода. На рисунке 3.1 представлен
способ формирования двух p-n-переходов.
Рисунок 3.1 – Способ формирования и УГО биполярных транзисторов
УГО биполярного транзистора на рисунке 3.15 содержит условные
обозначения электродов: б – база, э – эмиттер, к – коллектор. В datasheet на
полевые транзисторы приведена англоязычное обозначение электродов: b –
base, e – emitter, c – collector.
Каждый электрод характеризуется определенными функциями:
− на базу полается сигнал управления;
− эмиттер служит источником свободных электронов, которые
проходят через переход эмиттер-база;
− на коллектор переходят носители под воздействием ЭДС.
Существует взаимосвязь между током базы (Iб), током эмиттера Iэ и
током коллектора Iк.
. (3.1)
Согласно формулы (3.1) малый ток базы может управлять током
коллектора.
Для биполярных транзисторов используются различные материалы.
Ниже приведен перечень основных материалов:
− кремний;
− германий;
− арсенид-галлиевые;
− углеродные нанотрубки.
28
Схемы включения биполярных транзисторов могут быть трех типов: с
Uбэ
Uкэ
Iэ
Iк
Iб
Uбэ
Uкб
Iб
Iк
Iэ
Uбк
Uкэ
Iк
Iэ
Iб
общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором. На рисунках 3.2 – 3.4
приведены схемы включения транзисторов.
Рисунок 3.2 – Схема включения биполярного транзистора с общим
эмиттером
Рисунок 3.3 – Схема включения биполярного транзистора с общей базой
Рисунок 3.4 – Схема включения биполярного транзистора с общим
коллектором
В зависимости от схемы включения различают основные особенности
при работе биполярного транзистора:
− в схеме с общим эмиттером происходит оптимальное усиление
сигнала, но с увеличением частоты уменьшает коэффициент усиления;
− в схеме с общей базой устойчивая работа биполярного транзистора,
но для эффективного усиления сигнала требуется наличие двух источников;
− в схеме с общим коллектором возможен только высокий
коэффициент усиления сигнала по току, но коэффициент усиления по
напряжению низкий.
Ниже перечислены основные эксплуатационные параметры биполярного
транзистора:
29
− максимальный ток коллектора Iк
эбэкбкэк
UIUIPPP +=+=
maxmax
ConstUUfI
кэбэб
== /)(
ConstUUfIэ
кэбэ
== /)(
ConstUUfI
кэбкб
== /)(
ConstUUfI
бээкк
== /)(
ConstUUfIк
бэбк
== /)(
ConstUUfI
кбэкк
== /)(
(при превышении тока
max
коллектора допустимого максимального происходит пробой коллекторного
перехода);
max
− максимальные напряжения между электродами U
, U
кэ max
);
− максимальная рассеиваемая мощность P
max
(например, U
max
кб
, равная сумме
максимальной рассеиваемой мощности на коллекторе и максимальной
рассеиваемой мощности на эмиттере.
. (3.2)
Необходимо учитывать, что токи и напряжения эмиттера должны не
превышать 70% от номинальной для поддержания стабильной работы
транзистора.
К дополнительным эксплуатационным параметрам относятся:
− максимальный ток базы Iб
− максимальный импульсный ток коллектора Iки
− обратный ток эмиттера Iэ
− напряжение насыщения перехода коллектор-эмиттер U
обр
max
;
;
;
max
;
кэ нас
− емкость коллекторного перехода;
− диапазон температур.
К графическим характеристикам относятся: входные, выходные и
передаточные. Входные характеристики – это зависимость входного тока от
входного напряжения:
− для схемы с общим эмиттером:
− для схемы с общей базой:
− для схемы с общим коллектором:
;
;
.
Выходные характеристики – это зависимость выходного тока
коллектора от выходного напряжения:
− для схемы с общим эмиттером:
− для схемы с общей базой:
− для схемы с общим коллектором:
;
;
;
Передаточные характеристики – это зависимость выходного напряжения
от входного напряжения.
Ниже приведены примеры графических зависимостей для схемы
включения с общим эмиттером.
30
I б
U бэ
U кэ=0
U кэ>0
Рисунок 3.5 – Входная характеристика
I к
U кэ
U вх
U вых
Е
Е
U нас
I
II
III
U0 U1
Рисунок 3.6 – Выходная характеристика
Рисунок 3.7 – Передаточная характеристика
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]