Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
__________________________________________________________________
Е. Л. Шошин
ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СПО
2-е издание
Рекомендовано Экспертным советом Федерального учебно-методического объединения
в системе среднего профессионального образования по укрупненной группе профессий,
специальностей 15.00.00 «Машиностроение» к использованию в образовательном
процессе образовательных организаций, реализующих программы среднего
профессионального образования в качестве основного учебного пособия
по общепрофессиональной дисциплине «Электротехника и электроника»
по специальностям 15.02.14 «Оснащение средствами автоматизации технологических
процессов и производств (по отраслям)», 15.02.13 «Техническое обслуживание и ремонт
систем вентиляции и кондиционирования», 15.02.12 «Монтаж, техническое
обслуживание и ремонт промышленного оборудования (по отраслям)»,
15.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание роботизированного
производства», 15.02.10 «Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)»,
15.02.09 «Аддитивные технологии»
Рекомендовано Учебно-методическим отделом СПО в качестве учебного пособия
для использования в учебном процессе образовательными учреждениями
среднего профессионального образования по техническим специальностям
и профессиям
Входит в ПОП 08.02.08 «Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения»
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 27.02.06 «Контроль работы
измерительных приборов» (в качестве основной литературы)
Москва Саратов
Ай Пи Ар Медиа Профобразование
2024 2024
УДК 621.382.2
ББК 32.853
Ш82
Автор:
Шошин Е. Л. — канд. техн. наук, доц. кафедры радиоэлектроники и электроэнергетики
ГОУ ВО «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры»
Рецензенты:
Ельников А. В. — д-р физ.-мат. наук, проф.,
заведующий кафедрой экспериментальной физики
ГОУ ВО «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры»;
Бацула А. П. — канд. техн. наук, советник генерального директора
научно-производственной фирмы «Микран»
Шошин, Евгений Леонидович.
Ш82 Электроника и схемотехника : учебное пособие для СПО / Е. Л. Шошин. —
2-е изд. — Москва : Ай Пи Ар Медиа ; Саратов : Профобразование, 2024. — 125 с. —
(Среднее профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-2866-1 (Ай Пи Ар Медиа)
ISBN 978-5-4488-1972-8 (Профобразование)
В учебном пособии рассмотрены теоретические основы электроники и схемотехники, в
частности вопросы работы полупроводниковых приборов. Изложены физические явления,
протекающие в диодах, транзисторах, силовых и оптоэлектронных приборах, операционных
усилителях. Описана система схемотехнического моделирования Micro-Cap.
Подготовлено с учетом требований Федерального государственного образовательного
стандарта среднего профессионального образования.
Предназначено для студентов технических специальностей и профессий, изучающих
дисциплины «Основы электроники и схемотехники», «Электротехника и электроника»,
«Электроника». Издание рекомендовано Экспертным советом Федерального учебно-методи-
ческого объединения в системе среднего профессионального образования по укрупненной
группе профессий, специальностей 15.00.00 «Машиностроение».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-2866-1 (Ай Пи Ар Медиа) © Шошин Е. Л., 2020
ISBN 978-5-4488-1972-8 (Профобразование) © ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2024
© ООО «Профобразование», 2024
Учебное издание
Шошин Евгений Леонидович
Редактор А.Д. Матлахова
Технический редактор, компьютерная верстка М.В. Половникова
Корректор Е.А. Волкова
Обложка С.С. Сизиумова
Подписано к использованию 11.04.2024. Объем данных 8 Мб.
ООО «Профобразование»
8-800-511-14-70 (бесплатный звонок по России)
E-mail: office@profspo.ru, sale@profobr.pro
4
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................ …5
1. СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
MICRO-CAP .......................................................................................... ....6
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ ........................................... ..13
2.1. Электропроводность беспримесных
и примесных полупроводников ............................................................. ..13
2.2. Принцип действия диода................................................................. ..19
2.3. Пробой p-n-перехода ....................................................................... ..24
2.4. Параметры полупроводникового диода................................ ......... ..27
2.5. Выпрямительные диоды, импульсные диоды, диоды Шоттки .... ..34
3. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ .......... ..36
3.1. Диодный выпрямитель .................................................................... ..36
3.2. Стабилизаторы напряжения на основе стабилитронов ................ ..39
4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ................................................ ..46
4.1. Принцип действия и режимы работы, схемы
включения транзистора .......................................................................... ..46
4.2. Эквивалентные схемы замещения транзистора.
Ключевой режим работы биполярного транзистора ........................... ..59
5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ......................................................... ..68
5.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом,
с изолированным затвором .................................................................... ..68
5.2. Температурные эффекты ................................................................. ..80
5.3. Эквивалентные схемы замещения .................................................. ..81
5.4. Основные параметры полевых транзисторов ................................ ..82
5.5. Ключевой режим работы полевого транзистора ........................... ..84
6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ............................................. ..86
6.1. Фотоэлектрические явления в полупроводниках ........................ ..86
6.2. Оптоэлектронные излучающие приборы ...................................... ..88
6.3. Фотоприемники ............................................................................... ..97
6.4. Оптопары. Макромодели оптоэлектронных приборов ................ 106
7. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ ............................................... 114
7.1. Характеристики операционных усилителей ................................. 114
7.2. Классификация операционных усилителей ................................... 117
7.3. Макромодели операционных усилителей ..................................... 119
7.4. Реализация усилителей с обратными связями ............................. 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................... 124
5
ВВЕДЕНИЕ
Изучение теоретических основ электроники необходимо
при подготовке студентов по техническим специальностям,
предполагающих в будущей профессиональной деятельности
разработку и применение электронных устройств, систем автоматизированного управления. Элементная база средств электронной техники непрерывно развивается и обновляется. Растущие требования по экономичности, быстродействию, надежности при одновременном снижении габаритов и массы приводят к разработке полупроводниковых приборов нового поколения и технологий их промышленного изготовления. Перспек-
тивным направлением развития современной электроники является разработка интегральных электронных схем и устройств на
их основе с размерами элементов менее 10 нм.
В результате освоения дисциплины студент должен:
− получить знания основных терминов и определений,
физических основ работы полупроводниковых приборов, их характеристик, параметров и эквивалентных схем замещения;
− развить умения рассчитывать параметры и проводить
измерение характеристик полупроводниковых приборов;
− овладеть навыками применения полупроводниковых
приборов при проектировании схем, реализующих усиление,
выпрямление, фильтрацию, коммутацию и гальваническую развязку электрических сигналов.
Учебное пособие содержит теоретический материал, необходимый для понимания физических процессов, протекающих в полупроводниковых приборах.
6
1. СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ MICRO-CAP
Практическое изучение основ электроники предполагает
проведение опытов, связанных с подачей на полупроводниковый прибор электрических воздействий с последующим измерением его параметров. В настоящее время при оценке параметров
полупроводниковых приборов наряду с измерительными стендами, широко используют программы схемотехнического моделирования, такие, как Micro-Cap. Данная программа обладает
удобным пользовательским интерфейсом, широким набором
решаемых задач и возможностью конвертации результатов моделирования с другими системами схемотехнического моделирования.
Система Micro-Cap позволяет рассчитывать узловые потенциалы, токи ветвей, мощности, рассеиваемые компонентами,
магнитные характеристики сердечника, а также указывает состояния полупроводниковых приборов — отсечка, насыщение,
линейный режим. Программа способна строить частотные характеристики, выполнять гармонический анализ сигналов, проводить расчет нелинейных и интермодуляционных искажений.
Система Micro-Cap позволяет проводить математические вычисления по формулам, заданные в текстовом окне, а также возможен многовариантный и статистический анализ. Это дает
возможность провести полноценное исследование того, как будет себя вести полупроводниковый прибор при всех допустимых отклонениях его параметров от номинальных значений, а
также выявить наличие аварийных режимов при каком-либо сочетании отклонений параметров.
Для проведения любого расчета при помощи программы
Micro-Cap необходимо сначала в окне графического редактора
создать электрическую схему устройства, предусмотреть цепи
питания, нагрузочные цепи и источники сигналов. Компоненты
схемы соединяются между собой проводниками, которые могут
быть ортогональными или диагональными. При создании схемы
программа Micro-Саp автоматически выполняет расстановку
номеров узлов и позиционных обозначений компонентов. Дальнейшие действия связаны с выбором и запуском одного из ви-
7
дов анализа, в ходе которых в окне для задания параметров анализа необходимо задать узлы, анализируемые сигналы, масштабы графиков, время расчета или диапазон частот, а также другие
величины.
Запуск команды Run приводит к выполнению выбранного
режима анализа, результатом которого будет построение графиков заданных параметров электрической схемы и визуализация
рассчитанных значений узловых потенциалов и токов компонентов. Например, выбор и запуск анализа переходных процессов приводит к построению временных диаграмм напряжений и
токов. Кроме того, можно осуществить вывод расчетных точек в
файл числового вывода. Значения потенциалов узлов и токи
компонентов могут быть выведены непосредственно на схему.
Кроме электрических воздействий в системе Micro-Cap возможно моделирование влияния температуры, и светового облучения,
используемых, например, при наличии в схеме оптоэлектронных приборов.
При составлении электрической схемы и выбора параметров анализа наряду с обычной и показательной формой задания
значений в системе Micro-Cap используется система буквенных
обозначений множителей, приведенная в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Буквенные обозначения множителей
для численных значений
10
-15 10-12 10-9 10-6 10-3 103 106 109 1012
фемпто
пико
нано
микро
мили
кило
мега
гига
тера
F P N U M K Meg G T
При включении в схему активных компонентов обязательно
нужно задавать их модель, которая выбирается из выпадающего
списка в окне модели. Если на этапе построения схемы нет яс-
8
ности, какую модель нужно использовать, или нужной модели
нет в списке, в этом случае можно воспользоваться обобщенной
моделью для данного типа компонента — $Generic. Такой выбор
модели дает удовлетворительные результаты в большинстве
практических ситуаций. Если обобщенная модель не устраивает, как, например, при измерении параметров полупроводникового прибора, то нужно искать точную модель. Формат моделей
активных компонентов соответствует P-Spice моделям, используемых во всех программах схемотехнического моделирования.
Для отечественных компонентов целесообразно искать модель зарубежного аналога, поскольку отечественные производители электронных компонентов не публикуют P-Spice модели
своей продукции.
Для полупроводникового диода описание его модели имеет
вид:
.MODEL KD203 D (IS=2.98N N=1.52 BV=200 IBV=0.1N
RS=9.3E-3 +TT=0.116U CJO=21.2P VJ=0.75 M=0.28 FC=0.5),
где: MODEL — признак модели, KD203 — имя модели, D —
указание того, что это модель полупроводникового диода, IS, N,
BV, IBV, RS, TT, CJO, VJ, M, FC — параметры модели.
Источники электрических сигналов, входящие в схему,
также задают при помощи моделей. Система Micro-Cap поддерживает источники постоянного тока и напряжения, источники
синусоидального напряжения и импульсов тока и напряжения,
шумовых воздействий, а также набор зависимых и независимых
источников электрических воздействий.
Для источника синусоидального сигнала описание его мо-
дели имеет вид:
.MODEL 1MHZ SIN (A=0.01 F=10k DC=0),
где: .MODEL — признак модели, 1MHZ — имя модели, SIN —
указание того, что это модель источника синусоидального сигнала, A — амплитуда сигнала, F — частота сигнала, DC —
начальная фаза сигнала.
9
При моделировании электрических схем система Micro-
Cap выполняет следующие виды анализа:
− DC Analysis — анализ передаточных функций эквива-
лентной схемы замещения для постоянных составляющих токов
и напряжений. Данный анализ в основном используется для построения вольтамперных характеристик полупроводниковых и
электронных приборов. В этом режиме к входам прибора подключают один или два независимых источника постоянного
напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток, протекающий через сопротивление нагрузки. При подключении к прибору одного источника постоянного напряжения можно построить вольт-амперную характеристику диода, а при подключении
двух источников — семейство статических выходных характеристик транзистора. На рис. 1.1 приведено семейство выходных
вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, полученное в системе Micro-Cap при изменении коллекторного
напряжения от 0 до 10 В и при фиксированных значениях базового тока 1 мА … 5 мА.
Рис. 1.1. Семейство статических выходных
вольт-амперных характеристик транзистора
Iб=3 мА
Iб=4 мА
Iб=5 мА
Iб=2 мА
Iб=1 мА
5
0
100
200
UКЭ, В
IК,
мА
10
− Transient Analysis — анализ схемы во временной области
при воздействии сигналов любой формы и амплитуды. В ходе
его выполнения анализируется изменение основных электрических параметров схемы (токов, напряжений) под воздействием
каких-либо электрических воздействий в течение заданного
промежутка времени. Для проведения этого вида анализа к исследуемому устройству должен быть подключен источник сигнала. Выходным результатом анализа являются временные зависимости токов и напряжений того или иного элемента, вместе
с тем возможен вывод зависимости одного параметра схемы от
другого параметра схемы или параметра компонента. Например,
можно вывести зависимость емкости p-n-перехода от напряжения, приложенного к нему. Расчет всегда начинается с нулевого
момента времени, однако начало графика может быть составлено как с нулевого, так и с любого другого момента времени.
Анализ переходных процессов позволяет выполнить оценку
быстродействия полупроводникового прибора в ключевом режиме его работы. На рис. 1.2 приведена временная диаграмма
мгновенных значений тока в случае стока полевого транзистора
с изолированным затвором, полученная при подаче на его вход
импульсов прямоугольной формы.
Рис. 1.2. Временная диаграмма мгновенных
значений выходного тока транзистора
− AC Analysis — анализ в частотной области эквивалент-
ной линеаризованной схемы замещения для малых сигналов.
Этот вид анализа позволяет построить зависимость параметров
электрической схемы от частоты — амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ).
t,
1,5
1
0,5
0
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]