МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине

“КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА”

Часть 1

Харьков 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление ...................................................................................................................	3
1. Полупроводниковые диоды ...............................................................................	4
2. Транзисторы в режиме постоянных напряжений и токов ....................................	15
3. Транзисторные ключевые каскады ....................................................................	23
4. Схемы с логическими элементами ...................................................................	37
5. Расчет схем с оптоэлектронными приборами.....................................	44
Перечень ссылок ..............................................................................................	54
Приложение Таблица соответствия зарубежных интегральных микросхем микросхемам производства СНГ...........................	55

Введение

Дисциплина «Компьютерная электроника» является одной из основных дисциплин в области аппаратной подготовки студентов, которые обучаются по направлениям «Компьютерная инженерия», «Информационная безопасность».

Целью практических занятий есть закрепление теоретического материала, изученного на лекциях и развитие навыков:

– анализа распределения токов и напряжений в диодных и транзисторных схемах;

– применения логических элементов технологий КМОП и ТТЛ (и ее модификаций) для реализации логических функций, управления разной нагрузкой;

– проектирования схем преобразователей уровней цифровых сигналов;

– применения оптоэлектронных приборов.

Материалы для каждого занятия содержат основные вопросы теории по темы занятия, примеры решения аудиторных задач и варианты задач для решения во внеаудиторное время. Степень подготовленности к занятию оценивается с помощью контрольных вопросов и задач по темы занятия.

В задачах используются реальные диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, для которых есть большое количество справочных материалов как в библиотеке ХНУРЕ, так и в ресурсах Internet.

Полученные знания будут необходимые во время изучения дисциплин, связанных с аппаратными средствами компьютерных технологий.

1 Полупроводниковые диоды

1. Цель занятия

Освоить методику расчета схем с полупроводниковыми диодами, определения параметров диодов по ВАХ.

1.2 Методические указания для самостоятельной подготовки к занятию

Выучить разделы дисциплины, связанные с принципом работы полупроводниковых диодов [3,4,8].

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор как правило с одним электрическим переходом и двумя выводами. Рассмотрим диод с электронно-дырочным (p-n) переходом, который разделяет p– и n-области кристалла полупроводника.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается выражением

, (1.1)

где U_Д – напряжение на p-n переходе;

φ_Т = kТ/q – тепловой потенциал, который равен контактной разности потенциалов φ_к на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т=300 К, φ_т =0.025 В);

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

q – заряд электрона;

I₀ – обратный ток p-n перехода, образованный за счет неосновных носителей. Температурное изменение I₀ определяется известной зависимостью

, (1.2)

где I₀ – значение теплового тока при комнатной температуре Т₀ = 300 К;

δТ – значение увеличения температуры, которое соответствует удвоению значения теплового тока. Значение δТ зависит от материала полупроводника и составляет приблизительно 10 К для германия и 7 К для кремния.

При отрицательных напряжениях порядка 0.1... 0.2В в формуле (1.1) экспонентной составляющей можно пренебречь (е ^– 4 ≈ 0.02), при положительных напряжениях, превышающих 0.1 В, можно пренебречь единицей (е ⁴ ≈ 54.6) поэтому ВАХ, описываемая этими соотношениями, будет иметь вид, приведенный на рис.1.1,а.

Рисунок 1.1 – Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика реального диода имеет вид, приведенный на рис.1.1, б (сплошная линия). Из нее следует, что при определенном значении обратного напряжения U_обр = U_проб начинается лавиноподобный процесс нарастания тока I_обр, что вызывает электрический пробой p‑ n перехода (отрезок АВ на рис.1.1,б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки А). Такой процесс нарастания тока I_обр характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n перехода наступает практически одновременно с началом лавиноподобного процесса нарастания тока I_обр. Электрический пробой обратим, то есть после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной области ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход.

Полупроводниковый диод характеризуется статическими и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, которые легко определяются по ВАХ. Дифференциальное сопротивление r_Д численно равно отношению бесконечно маленького увеличения напряжения к соответствующему увеличению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как котангенс угла между касательной в рассмотренной рабочей точке ВАХ диода и осью абсцисс (штриховая линия на рис 1.1,б с углом наклона β):

r_Д = d/d ≈ δU/δI = (m/m)ctg β, (1.3)

где δU и δI – конечные приращения напряжения и тока близ рабочей точки Е;

m и m – масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление R_ст численно равняется отношению напряжения на элементе U_Е к току, который протекает через него, І_Е (см. рис. 1.1,б). Это сопротивление равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной с начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

Rст = U_Е/I_Е = (m/m) ctg . (1.4)

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R_ст может быть меньшим, или большим значения r_Д.

Некоторые типы полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды. Применяются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный. Выпpямительные диоды pазличают по материалу, который используется для p-n перехода (германий , кремний и др.), а также, по допустимому значению прямого тока (диоды маленькой, средней и большой мощности).

Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, то есть в устройствах формирования импульсных сигналов, а также в ключевых и логических схемах. Импульсные диоды, как правило, имеют маленькую площадь электрического перехода. Это позволяет существенным образом снизить емкость перехода (не выше единиц пикофаpад), что в особенности важно для уменьшения времени переходных процессов в диоде. Однако вследствие маленькой площади перехода импульсные диоды характеризуются низкой допустимой мощностью (20-30 мвт).

Полупроводниковый стабилитрон. Это диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является область пробоя p-n перехода при его обратном включении. Стабилитроны используются для стабилизации, фиксации уровней напряжений.