Лаб.работы электронные приборы и основы микроэлектроники
Таразский колледж техники и бизнеса
Методическое указание по выполнению практики и лабораторной
работы по Предмету: «Электронные приборы и основы микроэлектронике»
Специальность: 1301000 «Электронные приборы и устройства»
Тараз 2016 г.
Методическое указание по выполнению лабораторной работы по дисциплине разработано на основе рабочей программы по данной дисциплине.
Составила: Э.И.Рустемова.
Методическое указание рассмотрено на заседании технического кафедры технических дисциплин.
Протокол № «_____»___________________2016 г.
Зав. кафедры технических
дисциплин: Р.А.КадиркуловаСогласовано методическим советом колледжа.
Протокол № «_____»___________________2016 г.
Методист: А.Б.Болтаева
Введение
Задание на лабораторную работу предназначено для закрепления знаний, полученных студентами при изучении теоретического материала по соответствующей дисциплине , а также для оценки этих знаний преподавателем. Лабораторную работу студенты выполняют самостоятельно после изучения теоретического курса . Выполнение работы должно носить самостоятельный характер, быть логичным и последовательным. Для этого необходимо усвоить предмет темы, научиться статистическому анализу.
Цель работы
Целью лабораторной работы по предмету является ознакомить обучающихся с основными элементами электрорадиоизмерительных приборов, измерительными генератораторами сигналов , изучить методы измерения напряжения и тока.
2. Порядок выполнения лабораторной работы
Лабораторная работа содержит порядок выполнения работы и контрольные вопросы. Перед выполнением лабораторных работ обучающийся должны получить иструктаж по технике безопасности
2. Порядок выполнения работы подлежащий к выполнению, следует внимательно изучить и приступить к выполнению.
3. Оформление лабораторной работы:
а) Лабораторная работа выполняется в отдельной тетради в клетку с обязательными полями и содержит следующие составные части:
- Цель работы ;
- Порядок выполнения работы;
-схемы и таблицы;
- контрольные вопросы;
б) При выполнений лабораторной работы необходимо:
- выполнять работу соответственно порядку выполнения работы приведя необходимые таблицы, схемы и графики;
в) Оформленная работа сдается на проверку преподавателю.
г) Неправильная и сделанная лабораторная работа возвращается студенту на доработку и после исправления ошибок вновь сдается на проверку.
3.Требования к выполнению лабораторной работы
- лабораторная работа должна быть выполнена в тетради синей пастой так, чтобы можно было без затруднения прочесть слово, знак или цифру
-отчет по лабораторным работам должен выполняться в соответствии с требованиям ГОСТ, ЕСКД и содержать анализ о проведенной работе
- страницы должны быть пронумерованы, на каждой из них необходимы поля;
- схемы, векторные диаграммы и графики должны выполняться с соблюдением требований государственных стандартов, чертежными инструментами;
- Схемы, таблицы, векторные диаграммы и графики должны быть пронумерованы.
Лабораторная работа № 1
Исследование полупроводниковых диодов.
Цель работы: Изучить устройство и принцип работы полупроводникового диода,исследовать вольт-амперные характеристики.
Диоды бывают электровакуумные,газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые.
Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:
§ постоянный обратный ток диода (Iобр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
§ постоянное обратное напряжение диода (Uобр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
§ постоянный прямой ток диода (Iпр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;
§ постоянное прямое напряжение диода (Uпр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;
Практическая часть:
1. Исследование вольтамперных характеристик при прямом включении(Схема включения, таблица измерений, график вольт-амперной характеристики ).
2.Исследование обратного включения полупроводникового диода(схема включения ,таблица измерений,график вольт-амперной характеристики).
3. Определить статическое и дифференциальное сопротивление диода , при токе 0.5А.
Статическое сопротивление находим по формуле:
Дифференциальное сопротивление:
Мы берем две точки на графике, находим их среднее значение напряжения и средние значение тока, исходя из этого мы можем найти Диффиренциальное сопротивление.
Вывод:Изучил устройство и принцип работы полупроводникового диода,исследовал вольт-амперные характеристики.
Лабораторная работа № 2
Исследование стабилитрона программы Electronics Workbench Стабилитрон - диод для стабилизации напряжения. Экспериментальное исследование характеристик полупроводникового стабилитрона. Использование программы Electronics Workbench.
Цель работы:
Закрепить навыки сборки простейших электрических цепей.
Закрепить навыки использования электроизмерительных приборов.
Закрепить теоретические сведения о методах анализа электрических цепей с полупроводниковыми приборами.
Изучить закономерности протекания тока в p - n переходе.
5. Исследовать вольтамперную характеристику диода и стабилитрона.
6. По экспериментальным зависимостям сделать количественную оценку параметров токовых характеристик p - n переходов.
Содержание отчета:
– название лабораторно-практической работы;
– электрические схемы;
– заполненные таблицы;
– все расчеты к таблицам и дополнительные расчеты;
– основные выводы;
При анализе нелинейных цепей электрические свойства нелинейных и линейных элементов представляют в виде ампер-вольт характеристик (авх), которые отображают зависимость тока от напряжения, т.е. I=f(U).
АВХ могут быть получены из зависимости R=f(I), если воспользоваться законом Ома. Так для характеристики, изображенной на рис.а, АВХ будет иметь вид прямой линии, определяемой выражением: I = (1/R)*U, а для характеристики, изображенной на рис.в, АВХ будет иметь вид кривой, выражение которой определяется следующим образом:
I= (1/R)*U = (1/(I*k))*U; I2 = U/k; I = vU/k;
АВХ линейных элементов имеют вид прямых линий, а нелинейных элементов - некоторых кривых линий (рис. **.).
По виду АВХ различают нелинейные элементы с симметричной и несимметричной характеристиками (по отношению к началу координат).
Полупроводниковый стабилитрон -- это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости -- катастрофического саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. 2. Порядок выполнения работы
1. Исследовать вольтамперную характеристику полупроводникового диода Д237А и стабилитрона Д811 при прямом и при обратном включении. Для диода Д237 А в прямом направлении напряжение изменять в пределах от 0 до 1 В, в обратном от 0 до 80 В. Для стабилитрона Д811 прямом направлении напряжение изменять в пределах от 0 до 0,6 В, в обратном от 0 до 12 В. Запрещается превышать паспортные данные для диода и стабилитрона (см. Макет - Описание лабораторного макет - Паспортные данные приборов).
2. По начальному участку обратной ветви ВАХ диода Д237 А определить ток насыщения.
3. По обратной ветви ВАХ стабилитрона Д811 определить напряжение стабилизации(пробоя).
4. Рассчитать концентрацию носителей в базе диода по формуле(1,2(см. Теория - теоретическая часть) в зависимости от типа p-n перехода), исходя из определенного напряжения пробоя(стабилизации) для стабилитрона.
5. Оформить отчет по лабораторной работе.
Схема экспериментальной установки
3. Экспериментальные данные и их анализ
Результаты измерений приведены в таблице 1:
Диод Д237 АСтабилитрон Д811 Прямое направление Обратное направление Прямое направление Обратное направление U,B I,мАU,B I,мkАU,B I, мА U,B I,мА0 0 0 0 0.3 0 0 0 0.1 18 -2.95 -11 0.34 0.0002 -7.5 0 По измеренным данным построены графики:
Вольт-амперные характеристики диода Д237А
Вольт-амперные характеристики стабилитрона Д811
По начальному участку обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода определяем ток насыщения диода.
Iнас = 36.6 мкА.
По обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона определяем напряжение пробоя (напряжение стабилизации).
Unp = 12 В.
Материал, из которого изготовлен стабилитрон - это кремний, следовательно
Ед=1,12 эв. Тип p-n перехода - резкий несимметричный, поэтому применяем формулу:
Лабораторная работа № 3
Исследование биполярного транзистора
Цель работы: Исследование параметров и характеристик биполярного транзистора в разных схемах включения.
Краткие теоретические сведения
Исследуемая схема показана на рис. 2.1. Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора к току базы: DC IК IБ
Динамический коэффициент передачи тока АC определяется отношением приращения IК коллекторного тока к вызывающему его приращению бIБ азового тока:АC IК IБ .Дифференциальное входное сопротивление rвх транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер.
Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:
rвх UБЭ IБ UБЭ2 UБЭ1 IБ2 IБ1 .
Дифференциальное входное сопротивление rвх транзистора в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением:rвх rБ AC rЭгде rБ - распределенное сопротивление базовой области полупроводника;
rЭ - дифференциальное сопротивление перехода база—эмиттер, определяемое из выражения
rЭ 25 IЭ ; IЭ - постоянный ток эмиттера в миллиамперах.
Первое слагаемое rБ в выражении для rвх много меньше второго, поэтому им можно пренебречь.
Дифференциальное сопротивление rЭ перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением
rвхОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения UБЭ к вызванному им приращению IЭ тока эмиттера:
rвхОБ UБЭ IЭ UБЭ2 UБЭ1 )(IЭ2 IЭ1) .
Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением
rвхОБ rБ AC rЭ .Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать,что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер равно rвхОБ rЭ .
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока
транзистора:
Рис.1
а) собрать схему, изображенную на рис. 1. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора DC;
б) изменить номинал источника ЭДС EБ до 2,68 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать коэффициент DC ;в) изменить номинал источника ЭДС EК до 5 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора DC Затем установить номинал EК равным 10 В.
Сделайте вывод о зависимости коэффициента передачи от тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер.
Лабораторная работа №4
Исследование полевого транзисторав программе Еlectronics WorkbenchЦель работы:
- снять и проанализировать стоко-затворные характеристики транзистора;
- снять и проанализировать выходные статические характеристики транзистора.
Порядок выполнения работы
1. Запустите программу Еlectronics Workbench и выберите марку полевого транзи-
стора с затвором в виде p-n-перехода в соответствии с вариантом
Используя полосу «набор элементов» нажмите кнопку с изображением тран-
зистора и из открывшегося окна перетащите полевой транзистор на рабочуюобласть. Нажмите на него два раза и в открывшемся окне выберите строку
motorola и марку транзистора в соответствии с вариантом:
1 – BF244A, 2 – BF245A, 3 – BF246A, 4 – BF256B, 5 – J304,
6 – J309, 7 – MMBF170, 8 – MMBF5459, 9 – MPF102, 10 – MPF4861.
2) Постройте схему эксперимента для снятия стоко-затворных характеристик
транзистора
3) Снимете данные для построения стоко-затворных характеристик транзистора
Для этого необходимо при фиксированном значении напряжения сток-исток
Uси измерять значения тока стока Iс при изменении напряжения затвор-исток
Uзи:
- на схеме установите значение Uси = 10 В;
- нажатием комбинации клавиш Shift/R увеличьте сопротивление перемен-
ного резистора источника питания цепи базы до 100%, что соответствует нуле-
вому напряжению на выходе регулируемого источника 3 V/V;
- изменяя напряжение нажатием клавиши R (уменьшение сопротивления пе-ременного резистора) измеряйте значение напряжения затвор-исток Uзи тран-
зистора; полученные результаты занесите в таблицу 3.1;
- показания снимать до тех пор, пока величина тока стока Iс не станет
меньше 500 мкА, что соответствует закрытому состоянию транзистора;
- установите значение напряжения Uси = 30 В и повторите действия для сня-
тия зависимости величины Iс от напряжения затвор-исток Uзи.
Таблица 3.1 — Зависимость величины тока стока Iс от напряжения UзиUси, В 0 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,2 1,5 1,65 1,8 1,95 2,1 2,25 2,55
Iс, мА
при
Uси=10
Iс, мА
при
Uси=30
4) Снимете данные для построения выходных характеристик транзистора
Для этого необходимо при фиксированном значении напряжения затвор-
исток Uзи измерять значения тока стока Iс при изменении напряжения сток-
исток Uси:
- на схеме установите значение Uзи = 0 В;
- нажатием комбинации клавиш Shift/R увеличьте сопротивление перемен-
ного резистора источника питания цепи коллектора до 100%, что соответствует
нулевому напряжению на выходе регулируемого источника напряжения 30
V/V;
- изменяя напряжение нажатием клавиши R (уменьшение сопротивления пе-ременного резистора) измеряйте значение тока стока Iс транзистора; получен-
ные результаты занесите в таблицу 3.2;
- из таблицы 3.1 выберите три значения напряжения затвор-исток при кото-
ром еще протекает ток стока и повторите действия предыдущего пункта.
Лабораторная работа №5.
Исследование тиристора в программе Electronics WorkbenchЦель работы:приобрести навыки снятия ВАХ тиристоров.
Программное обеспечение:программный пакет Electronics Workbench Multisim.
I. Краткие теоретические сведения
Тиристор - прибор, содержащий четыре чередующихся слоя полупроводника с проводимостью n- и p- типа.
Различают 3 вида тиристоров:
1) динисторы или диодные тиристоры, у которых имеются выводы лишь от катода и анода. Они содержат три p-n перехода: два эмиттерных по краям и один коллекторный посередине;
2) тринисторы или триодные тиристоры, - приборы с тремя выводами: от катода, анода и базы (управляющего электрода);
3) тетродные тиристоры - приборы с четырьмя выводами: от катода, анода и двух баз (две базы управляющие).
left0Рисунок 1 – Схема включения тринистора Рисунок 2 – ВАХ тиристора
- Uа – анодное напряжение;
- Iа – анодный ток;
- Iупр – управляющий ток;
- Rн – сопротивление нагрузки;
- Uвкл – напряжение включения;
- Iвкл – ток включения;
- Uуд – напряжение удержания;
- Iуд – ток удержания.
Тиристор является ключевым прибором, имеющим два устойчивых состояния: «закрыто» и «открыто».
Как только анодное напряжение Uа тиристора достигает значения Uвкл, происходит резкое возрастание анодного тока Iа. Коллекторный переход насыщается инжектированными в область баз носителями заряда. Сопротивление этого перехода и падение напряжения на нем резко уменьшаются, тиристор переходит в неустойчивый режим, характеризующийся уменьшением падения напряжения при возрастании анодного тока, что соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению тиристора (этот участок показан штриховкой на рисунке 2). Далее тиристор скачком переходит в режим, при котором резко уменьшается его сопротивление и падение напряжения на нем.
Ток Iупр управляет током Iа иUа.
II. Ход работы
1. Получить вариант задания у преподавателя.
2. Запустить Multisim и собрать схему по рисунку 3.
-314960410210Рисунок 3 – Схема включения тиристора
Таблица 1 – Элементы схемы на рисунке 3
Элемент GroupFamilyComponentОбозначение
Тиристор
D1 DiodesSCR (по варианту)
Переменные резисторы
R1, R4 BasicBASIC_VIRTUAL POTENTIOMETER_VIRTUAL
Резисторы R1 иR2, а такжеR4 иR5 в данной схеме служат делителями напряжения.
Сопротивление переменных резисторов R1 и R4 можно изменять с помощью клавиш, которые на схеме изображены возле слова Key. Чтобы увеличить сопротивление резистора, необходимо нажать указанную клавишу (например, A или B). Уменьшить сопротивление можно, используя комбинацию клавиш Shift+Key (например, Shift+A или Shift+B). При этом необходимо предварительно переключить раскладку клавиатуры на английскую. Задать клавишу, по которой будет изменяться сопротивление; изменить шаг или номинальное сопротивление переменного резистора можно на вкладке Value после двойного щелчка по переменному резистору.
При установке вольтметров и амперметров обратите внимание на полярность выводов, которая указывается зелёными значками «+» и «–» рядом с соответствующим выводом.
Чтобы зеркально перевернуть элемент, необходимо щёлкнуть на нём правой кнопкой мыши и выбрать Flip Horizontal или Flip Vertical.
3. Установить сопротивление обоих переменных резисторов на 0%.
4. Запустить схему. Замкнуть ключ J1.
5. Повышая сопротивление резистора R1, снять токи и напряжения, протекающие в тиристоре. Результаты записать в таблицу 2.
Таблица 2 – Исследование влияния Uа наIаR1 R4 Iупр, мА Uа, В Iа, мА
30% 0% 50% 0% 70% 0% 90% 0% 6. Уменьшая сопротивление резистора R1, проверить, будут ли отличаться напряжения и токи в схеме от данных, полученных в задании 5.
7. По данным из задания 5 построить график зависимости анодного тока тиристора от анодного напряжения. Сделать вывод о влиянии напряжения, поступающего от источника питания, на анодное напряжение и анодный ток тиристора; а также о максимальном напряжении, которое может падать между анодом и катодом тиристора в данной схеме.
8. Установить значение сопротивления резистора R1 на уровне 90%.
9. Постепенно увеличивая сопротивление резистора R4, снять токи и напряжения, протекающие в схеме. Результаты записать в таблицу 3. Отметить, при каком управляющем токе в схеме анодный ток тиристора необратимо изменяется.
Таблица 3 – Исследование влияния Iупр на Uа иIаR1 R4 Iупр, мА Uа, В Iа, мА
90% 40% 90% 55% 90% 70% 90% 85% 90% 90% 90% 100 % 10. Уменьшая сопротивление резистора R4, проверить, будет ли изменятьсяIа. Сделать вывод о влиянии управляющего тока на анодный ток и анодное напряжение.
11. Установить сопротивление R4 на уровне 80%. Разомкнуть ключ J1 и вновь замкнуть. Посмотреть, как при этом изменятся анодный ток и напряжение.
Лабораторная работа №6
Исследование осциллографа .ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с принципом действия осциллографа, исследование характеристик, применение осциллографа в качестве измерительного прибора.
1.1.ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА.
Осциллограф это прибор, предназначенный для исследования и регистрации электрических процессов. Блок-схема (рис.1) простейшего осциллографа состоит из следующих элементов:
Одним из основных элементов осциллографа является электронно-лучевая трубка, в которой узкий пучок летящих электронов проходит через две пары пластин (пластины “Х” и пластины “Y”) и вызывает свечение экрана. Пластины “Х” и пластины “Y” расположены перпендикулярно друг другу.
Если подавать на эти пластины напряжение, луч опишет на
693420116205экране кривую, называемую осциллограммой.
Рис.1 Блок-схема простейшего осциллографа.
Для получения осциллограмм, изображающих зависимость напряжения от времени, необходим генератор горизонтальной развертки. Это генератор пилообразного напряжения, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины “Х” и может меняться по амплитуде и частоте.
ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ОСЦИЛЛОГРАММ
Рис.3 Принцип графического построения.
1.Если на вертикально отклоняющие платины “У” электронно-лучевой трубки подать переменное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении и оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию. Если же переменное напряжение подать только на горизонтально отклоняющие пластины “Х”, то на экране получится горизонтальная светящаяся линия. При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин в зависимости от соотношения их частот, амплитуд и фаз можно получить различные осциллограммы. Рассмотрим, что получается, если на обе пары пластин подавать два синусоидальных напряжения, в качестве источников синусоидальных напряжений можно взять напряжение из сети частотой 50 Гц или напряжение от звукового генератора любой частоты в звуковом диапазоне приблизительно до 20 кГц. Возьмем для простоты два синусоидальных колебания одинаковой частоты и одинаковой амплитуды и методом графического построения найдем форму осциллограммы. Принцип построения виден из чертежа (рис.3). если синусоидальные напряжения совпадают по частоте и по фазе, то на экране получается неподвижная прямая линия. Методом графического построения легко рассмотреть, что получится на экране осциллографа, если эти напряжения сдвинуть по фазе на любой угол. В общем случае будет наблюдаться эллипс, при сдвиге фаз , и т.д. – окружность, а при 0, , и т.д. – прямая. Математически это выражается системой уравнений:
Исключив из приведенных уравнений время t, получим:
В общем случае это выражение есть уравнение эллипса, а в частном – окружности и прямой.Если подавать на пластины синусоидальные напряжения различной частоты, то картина на экране усложнится, но ясно, что если частоты этих напряжений будут относится друг другу как целые числа, то через определенные промежутки времени ситуация должна повторяться, и осциллограмма получится неподвижной. Эти неподвижные кривые носят названия фигур Лиссажу.
Общий вид установки
2.1. ОСЦИЛЛОГРАФ-ЧАСТОТОМЕР
а) Определить частоты синусоидального напряжения можно с помощью фигур Лиссажу. Для этого исследуемый сигнал подается
на одну пару пластин “У”, а на другую пару пластин подается напряжение от звукового генератора. Если частоты будут относиться как целые числа (например 1/1, 2/3, 4/5, и т.д.), то изображение получится неподвижным. Подбирая частоту звукового генератора можно добиться такого положения, чтобы фигура Лиссажу была развернутой (рис.6). При этом ; ; , т.е. линии не сливаются как при .
Тогда, если мысленно заключить ее в квадрат и посчитать число касаний к вертикальной стороне квадрата и к горизонтальной стороне квадрата, то соотношение этих чисел будет равно отношению частот:
Это легко понять из следующих рассуждений: пусть период через который ситуация будет повторяться, т.е. луч начнет двигаться по прежней траектории будет (рис.7). За это время напряжение Ux трижды достигало максимума, т.е. число касаний к вертикальной стороне квадрата будет равно трем nx=3, Uy максимума, т.е. число касаний к горизонтальной стороне left494030квадрата будет равно двум ny=2.
Таким образом:
Определить частоту периодических сигналов любой формы можно используя непрерывную развертку. Для этого необходимо на вертикально отклоняющие пластины подать исследуемый сигнал, а на горизонтально отклоняющие пластины напряжение с генератора развертки и подобрать такую частоту пилообразного напряжения, чтобы на экране получилась осциллограмма (1-2 периода). Для того, чтобы она стала неподвижной, нужно подобрать уровень синхронизации. В современных осциллографах имеется переключатель строго калиброванной частоты генератора развертки. Поскольку время движения луча по горизонтали точно равно периоду пилообразного напряжения, ось Х можно проградуировать в единицах времени. Используя масштаб “время-деление”, указанный на переключателе частоты генератора развертки, измеряют период исследуемого сигнала.
Лабораторная работа №7.
Исследование оптоппары.
1 Цель работы
Изучить особенности работы и методику измерения параметров интегральных диодных оптопар.
2 Подготовка к работе.
2.1 Изучить следующие вопросы курса по конспекту лекций к рекомендованной литературе:
-элементы оптопары;
-входные и выходные параметры оптопар;
-передаточные параметры и параметры изоляции оптопар;
-режимы эксплуатации диодных оптопар;
-режимы эксплуатации транзисторных оптопар;
-системы обозначения оптопар.
.2.2 Ответить на следующие контрольные вопросы:
-объясните устройство диодного оптрона;
-для каких цепей используются диодные оптроны;
-объясните причины инерционности диодных оптронов;
-объясните передаточную характеристику оптрона;
-приведите условное графическое обозначение различных типов оптопар;
-приведите и расшифруйте систему обозначений различных типов оптопар.
3 Самостоятельная подготовка к работе
При изучении литературы следует иметь в виду, что оптопары являются основными структурными элементами оптоэлектроники - одного из современных направлений функциональной микроэлектроники.Простейшим диодный оптрон состоит из трех элементов (рисунок 1): светоизлучателя 1, световода 2 и фотоприемника 3, заключенных в светонепроницаемый герметический корпус. При подаче на вход электрического сигнала возбуждается светоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, в котором вырабатывается выходной электрический сигнал.Существенной особенностью оптрона является то, что его элементы связаны оптически, а электрический вход и выход изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается соединение высоковольтных и низковольтных, а так же высокочастотных и низкочастотных цепей. Условное обозначение диодного оптрона приведено на рисунке 4.2, а его конструкция на рисунке 3, где 1, 2 – p- и n-области фотодиода, 3, 4 – n- и p-области светодиода, 5 - световод на основе селенового стекла, 6, 7- контакты светодиода, 8, 9 - контакты фотодиода.
Рисунок 1 - Простейший диодный оптрон Рисунок 2- Условное обозначение диодного оптрона
Рисунок 3 - Конструкция диодного оптрона
В качестве светоизлучателей оптронов получили распространение инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов и дырок. Фотодиод представляет собой обычный n-p переход, чаще всего на основе кремния или германия, обратный ток которого определяется скоростью генерации носителей заряда, порождаемых действие падающего света. Данное явление называется внутренним фотоэффектом.. Величина фото-ЭДС зависит от степени облучения фотодиода (она пропорциональна величине входного сигнала). Типичные выходные (нагрузочные) характеристики диодных оптопар в фотогенераторном режиме показаны на рисунке 4. Необходимо иметь в виду, что в фотодиодном режиме на фотодиод оптрона падают внешнее обратное смещение. При подаче на оптрон входного сигнала светодиод облучает фотодиод и через p-n переход начинает протекать фототок. Характеристика, отражающая зависимость выходного тока от входного, называется передаточной. Типичная передаточная характеристика диодного оптрона приведена на рисунке 5. Здесь же показана и характеристика зависимости коэффициента передачи по току КI от Iвх. Коэффициент передачи по току КI - отношение приращения выходного тока ко входному.
(4.1)
Рисунок 4 - Выходные характеристики диодных оптопар Рисунок 5 - Простейшая характеристика диодного оптрона
.4 Лабораторное задание
Перед выполнением работ выписать из таблице 1 предельные значения параметров исследуемой оптопары, а во время эксперимента не допускать напряжений, превышающих допустимые значения. Особое внимание обратите на то, что светодиоды имеют малые допустимые прямые и обратные напряжения 1,5 -2 В.
Таблица 1 - Электрические параметры.
Тип Uвх. обр. max, В Iвх. пр. max, мА Iвых. обр. max, мкА Uвых. обр. max, В
А0Д101А 3,5 2 Исследовать зависимость входного тока диодного оптрона от входного напряжения (в области прямых напряжений). Входной ток и напряжение измеряются приборами PА1 и PV1, соответственно. Входная характеристика Iвх=f(Uвх)/Uвых=0 снимается при токах, не превышающих 15мА.
3 Снять семейство нагрузочных передаточных характеристик для трех значений сопротивления нагрузки Uвых.обр.=f(Iвх) при Rн=1 кОм, 24кОм, 51кОм.
4. Снять передаточную характеристику оптрона Iвых=f(Iвх) при U вых.обр.= -10 B, Rн=0. Определить коэффициент передачи по току при Iвх=6мА.
(4.2)
Лабораторная работа №8
Определение амплитудно-частотной характеристики транзисторного усилителя.
Цель работы: ознакомиться с устройством и принципам работы усилителя напряжения, построить частотную и амплитудную характеристики, изучить причины возникновения линейных и нелинейных искажений усиливаемого сигнала.
Приборы и принадлежности: звуковой генератор Г3-33, усилитель низкой частоты УНЧ-3, ламповый вольтметр, соединительные провода.
Теория работы
Биоэлектрические потенциалы различных органов и тканей человека являются существенными диагностическими показателями многих заболеваний. Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала является трудновыполняемой задачей, так как они весьма малы (милливольты и микровольты) и регистрирующие устройства при таких значениях потенциалов не срабатывают. Биопотенциалы, отводимые с поверхности тела электродами, должны быть предварительно усилены для их непосредственной регистрации. Для этой цели используются приборы, которые называются усилителями.
Усилитель – это электронное устройство, предназначенное для увеличения энергетических параметров электрического сигнала за счет энергии вспомогательного источника тока. Они широко используются для усиления слабых сигналов в технике, медицине, научной практике как основа любой радиоаппаратуры и измерительной техники высокой точности.
Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления, который равен отношению напряжения, силы тока или мощности на выходе к напряжению, силе тока или мощности на входе:
(1)
В зависимости от назначения усилители различают по напряжению, силе тока или мощности. Если усиливаемый сигнал синусоидальной формы, то в выражениях (1) используют амплитуды входных и выходных сигналов.
Для того чтобы форма синусоидального (гармонического) сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала.
Если усиливаемый сигнал не синусоидальный, то он может состоять из отдельных гармонических составляющих с различными частотами. Учитывая, что индуктивные и емкостные сопротивления элементов усилителя зависят от частоты, следует отметить, что коэффициент усиления для разных гармоник сложного сигнала будет иметь различные значения, т.е. К = f(ν). Эта зависимость называется left175260частотной характеристикой усилителя (рис.1).
Непостоянство коэффициента усиления для различных частот вызывает частотные или линейные искажения сигнала. На графике легко выделить почти прямолинейный участокавограниченный интервалом частот от ν1до ν2, на котором K примерно постоянен. В радиотехнике принято считать, что уменьшение его до 0,7Kmaxили K(ν0) практически не искажает сигнала. Диапазон частот Δν = ν2– ν1называется полосой пропускания усилителя. Частотная характеристика имеет большое значение при 3600451203960выборе усилителя для записи биопотенциалов с различным интервалом частот в их спектре. Поэтому усилитель, предназначенный для записи одних потенциалов, не может быть использован для записи других.
Кроме частотных искажений при усилении сигнала могут возникать нелинейные искажения. Они проявляются в том, что на выходе усилителя появляются новые гармоники (частоты), которых не было во входном сигнале. К нелинейным искажениям относятся амплитудные искажения, возникающие при больших амплитудах усиливаемого сигнала. При усилении синусоидального гармонического сигнала, чтобы форма его не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. Для оценки предельной амплитуды усиливаемого сигнала, при которой линейные искажения практически отсутствуют, строят амплитудную характеристику (АХ) усилителя. Она представляет график (рис.2) зависимости амплитуды напряжения на выходе к амплитуде напряжения на входе, т.е. U0вых =f(U0вх). Линейная зависимостьU0вых =KU0вх сохраняется в ограниченной области измерений (АВ). При выходе за пределы этой области линейная зависимость нарушается, и выходной сигнал уже не будет гармоническим, т.е. возникают линейные усиления.
Для негармонического сигнала амплитудная характеристика строится для частоты ν0(см. рис.1), при которой коэффициент усиления максимален, поэтому в эксперименте построению АХ всегда представляют построение 4Х, по который определяют ν0.
Рассмотрим принципы работы усилителя на транзисторах, представляющих собой сочетание полупроводников с дырочной (p) и электронной (n) проводимостью. В полупроводнике при создании в нем двух областей одного механизма электропроводимости и одной области другого механизма возникают дваp-nперехода. Транзисторы бываютp-n-pиn-p-nтипа. Центральную часть транзистора называют базой (Б), крайние соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). На рис.3 показан транзисторp-n-pтипа и его условное обозначение на электрической схеме. В транзисторе различают эмиттерный и коллекторный переходы. К базе, коллектору и эмиттеру с помощью металлических электродов можно подключить электрическое напряжение. Существуют три схемы включения транзистора в цепь: с общей базой, общим коллектором, общим эмиттером. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, обеспечивающая значительное усиление по току, напряжению и мощности. В приведенной схеме (рис.4) источник ЕБЭ подключен в прямом направлении (э.д.с. источники невелика), источник ЕКЭ– в обратном направлении и его э.д.с. значительно превышает ЕБЭ.
left172720При увеличении прямого входного напряженияUБЭбудет возрастатьIэ. Дырки, попадая (инжектируя) в базу в значительном количестве, продифундируют через неё (толщина базы достаточно мала) и окажутся в коллекторе, увеличивая его ток. В базе небольшая часть дырок может рекомбенировать с электронами и не достигать коллектора.
Если в цепь база–эмиттер включить переменную э.д.с., то возникающий переменный ток IЭвызовет изменение тока коллектора. Усиливающие свойства транзистора в приведенной схеме характеризуется статическим коэффициентом усиления по току β. Он равен отношению приращения тока коллектора ΔIкк вызываемому его приращению тока базы ΔIбпри низменном напряжении коллектор - эмиттер:(UКЭ=const).
В схеме с общим эмиттером ΔIбсоответствует изменению входного тока, а ΔIк- изменению выходного тока.
На рис.5 приведена упрощенная схема усилительного каскада с общим left33655эмиттером. Как видно из рисунка выходное усиленное напряжениеUвых= Е -IкRк, где Е – э.д.с. источника питания,Iк– сила тока коллектора,Rк – сопротивление коллектора.
Переменный входной сигнал, подключенный к эмиттерному переходу, влияет на силу тока коллектора и на падение напряжения на резисторе RКцепи коллектора.
При определенных условиях эта зависимость может быть прямо пропорциональной:, где К – коэффициент усиления по напряжению. Элементы приведенной схемы однокаскадного усилителя имеют определенное назначение:Rб–cпомощью этого сопротивления на базу транзистора подается небольшое отрицательное начальное напряжение. Оно создает в цепи базы ток, который открывает транзистор и устанавливает исходный ток коллектора, называемый током покоя. В отсутствие смещения возникает искажение входного сигнала, так как в этом случае эмиттерный переход открывается только при отрицательных полупериодах входного сигнала, а при положительных он будет заперт.
Сб– не оказывает заметного сопротивления переменной составляющей входного сигнала и в то же время препятствует замыканию плюсового полюса источникаEна базу через источник биопотенциалов.
Rэ– через это сопротивление осуществляется отрицательная обратная связь ООС. Обратной они называются потому, что часть энергии с выхода транзистора падается на его вход. По этому сопротивлению проходит общий ток транзистора, равный сумме токовIкиIби создает на нем падение напряженияUос= (Iк+Iб)Rэ. Оно имеет знак, противоположныйUвхи поэтому уменьшается его. Отсюда название – отрицательная обратная связь. ООС позволяет снизить линейные и нелинейные искажения, но при этом уменьшает коэффициент усиления. Она увеличивает входное сопротивление усилителя (Rвх), что является необходимым условием при снятии биопотенциалов, в противном случае оно будет шунтировать источник биопотенциалов и снижать их величину. В электрофизиологии считают, что входное сопротивление усилителя должно быть в 10-20 раз больше сопротивления участка, с которого снимается биопотенциал.
Ср – разделительный конденсатор. ТокIксоздает падение напряжения наRк, которое через Срподается на выход однокаскадного усилителя. Причем Српропускает только переменную составляющую сигнала.
Рекомендуемая литература.
1.Тугов Н.Н., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: Учебник для студентов Вузов - М.: Энергоатомиздат, 1990 - с. 429-446.
2.Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Учебное пособие для Вузов. Издание 2-ое, переработанное и дополненное. - М.: Высшая школа,1987 - с. 374-383.
3.Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для Вузов - 2-ое издание, переработанное и дополненное - М.: Высшая школа, 1980. -с. 365-371.
4.Голомедов А.В. Справочник. Полупроводниковые приборы - М.: Радио и связь, 1989.
5. Физические основы электроники: метод. Указания / сост. Беляев Ю.В., Галочкин Ю.И. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. – 25 с6. Галочкин Ю.И. Физические основы электроники: учеб. пособие. / Ю.И. Галочкин. – Владивосток: Изд – во ДВГТУ, 2008. – 155 с.
7. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы(учебник для ВУЗов), М., Энергоатомиздат, 1990.
8. В.В. Пасынков, В.С. Сорокин Материалы электронной техники : Учебник для студ. Вузов по спец. Электронной техники. 3-е изд. – СПб.; Издательство «Лань», 2001. – 368 с.
9. Батушев В.А. Электронные приборы. М., Высшая школа, 1980.
10. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. Санкт-Петербург, 1998.