Курс лекций. 1. Полупроводниковые диоды

Электроника

И микросхемотехника

Курс лекций

Введение. 4

1. Полупроводниковые диоды.. 7

1.1. Принцип работы диода. 7

1.2. Вольт-амперная характеристика диода. 9

1.3. Выпрямительные диоды.. 12

1.4. Высокочастотные диоды.. 13

1.5. Импульсные диоды.. 13

1.6. Стабилитроны и стабисторы.. 13

2. Биполярные транзисторы.. 14

2.1. Общие принципы.. 14

2.2. Основные параметры транзистора. 16

Маломощные. 17

Средней мощности. 17

Большой мощности. 17

Низкочастотные. 18

Средней частоты.. 18

Высокочастотные. 18

2.3. Схемы включения транзисторов. 18

2.3.1. Схема с общим эмиттером. 18

Ключевой режим работы.. 20

Усилительный режим работы транзистора. 21

2.3.2. Схема включения транзистора с общим коллектором. 23

2.3.3. Схема с общей базой. 25

3. Полевые транзисторы.. 26

3.1. Полевой транзистор с p-n переходом. 26

3.1.1. Входные и выходные характеристики полевого. 27

транзистора с p-n переходом и каналом n-типа. 27

3.1.2. Схема ключа на полевом транзисторе с p-n переходом. 28

3.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором. 29

3.2.2. МОП - транзисторы с индуцированным каналом. 31

3.2.3. Крутизна. 31

3.2.4. Ключ на КМОП - транзисторах с индуцированным каналом. 31

3.2.5 Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). 34

Устройство и особенности работы.. 34

3.2.6 IGBT-модули. 36

4. Тиристоры.. 40

4.1. Принцип работы тиристора. 40

4.2. Основные параметры тиристоров. 41

4.3. Двухполупериодный управляемый выпрямитель. 43

4.4. Регулятор переменного напряжения. 45

5. Интегральные микросхемы.. 46

5.1. Общие положения. 46

5.2. Аналоговые микросхемы. Операционные усилители. 46

5.2.1. Свойства ОУ.. 46

Практическая трактовка свойств ОУ.. 47

5.2.2. Основы схемотехники ОУ.. 48

Входной дифференциальный каскад. 48

Современный входной дифференциальный каскад. 48

Промежуточный каскад. 50

Выходной каскад. 50

5.2.3. Основные схемы включения ОУ. 50

Инвертирующее включение. 50

Применение инвертирующего усилителя. 51

в качестве интегратора. 51

Схема дифференцирования. 52

Схема суммирования. 52

5.2.4. Неинвертирующее включение. 52

5.2.5. Ограничитель сигнала. 54

5.2.6. Компараторы.. 56

Схема применения компаратора для. 58

широтно-импульсного регулирования. 58

Триггер Шмитта. 58

Схема мультивибратора. 59

5.2.7. Активные фильтры.. 62

Фильтры первого порядка. 62

Фазовращатель. 62

Логарифмические схемы.. 63

6. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.. 66

Теоретические сведения и расчетные соотношения. 66

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.. 82

Методика выполнения задания. 87

Интегральный таймер 555 (К1006ВИ1) 88

6. Цифровые интегральные микросхемы.. 89

6.1. Общие понятия. 89

6.2. Основные свойства логических функций. 90

6.3. Основные логические законы.. 90

6.4. Функционально полная система логических элементов. 91

6.5. Обозначения, типы логических микросхем и структура ТТЛ.. 92

Основные параметры логических элементов. 94

6.6. Синтез комбинационных логических схем. 94

6.6.1. Методы минимизации. 95

Минимизация с помощью карт Карно. 96

6.6.2. Примеры минимизации, записи функции и реализации. 98

6. 7. Интегральные триггеры.. 100

6.7.1. RS асинхронный триггер. 101

6.7.2. Асинхронный D - триггер. 101

6.7.3. Синхронный D - триггер со статическим управлением. 104

6.7.4. Синхронный D -триггер с динамическим. 105

управлением. 105

6.7.5. Синхронный JK - триггер. 105

6.7.6. T - триггер. 106

6.7.7. Вспомогательные схемы для триггеров. 106

Схема генератора импульсов. 106

Формирователь импульса. 108

Триггер Шмитта. 108

7. ЦАП и АЦП.. 109

7.1 ЦАП с матрицей резисторов R-2R.. 109

7.2 Биполярный ЦАП.. 112

4.3 Четырехквадрантный ЦАП.. 112

7.4 АЦП поразрядного уравновешивания. 113

7.5 АЦП параллельного типа. 115

7.6 Задачи и упражнения. 116

8. Практические занятия. 119

8.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления. 119

8.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления. 120

8.3. Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя. 120

при прямоугольном питающем напряжении. 120

8.4. Стабилизатор напряжения на стабилитроне. 121

8.5. Схема триггера на биполярных транзисторах. 124

8.6. Мультивибратор на транзисторах. 126

8.7. Ждущий одновибратор на транзисторах. 127

Литература. 130

Введение

Электроника – это область науки и техники, которая занимается изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, принцип действия которых основан на протекании электрического тока в вакууме, газе, в твердом теле. Такими приборами являются: электронные приборы (ток в вакууме), ионные приборы (ток в газе), полупроводниковые приборы. В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые приборы.

Часть электроники, которая занимается вопросами применения различных приборов, называется промышленной электроникой. Она разделяется на два направления:

1. Информационная электроника – занимается вопросами управления различными процессами. К устройствам информационной электроники относятся: аналоговые усилители и преобразователи сигналов, генераторы сигналов, оптоэлектронные устройства, логические элементы, цифровые устройства, микропроцессорные системы. Они предназначены для измерения, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

2. Энергетическая (силовая) электроника – занимается преобразованием параметров электроэнергии. К устройствам энергетической электроники относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения.

В качестве примера на рис.1а показана структура электропривода с АД, где устройство управления УУ и система датчиков Д относятся к устройствам информационной электроники, а полупроводниковый преобразователь электроэнергии ПП - к устройствам энергетической электроники.

Начало развития электроники можно отнести к началу 20 века, когда в 1904 г. англичанин Д.Флеминг создал первую электронную лампу (диод). В 1906 г. американец Л.Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный усиливать и генерировать электрические колебания. В России первую электронную лампу создал в 1914 г. Н.Д.Папалекси.

В 30-х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике. Большой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А.Ф.Иоффе.

В 1948 г. американскими учеными был изобретен первый полупроводниковый усилительный прибор – биполярный транзистор. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские ученые А.В.Красилов и С.Г. Мадоян.

Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии.

В 1957 г. фирмой General Electric был создан тиристор.

В 1958 г. появился первый полевой транзистор.

Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением интегральных микроэлектроных схем. Первая интегральная микросхема была анонсирована в 1959 г. американцем Килби. Интегральная микросхема (ИС) – это электронное устройство, элементы которого изготовляются в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на едином основании - подложке. Промышленный выпуск ИС был начат в начале 60-х годов. Первая цифровая интегральная микросхема ТТЛ-логики появилась в 1961 г., первый интегральный операционный усилитель mA709 был разработан в 1964 г. двадцатичетырехлетним американским ученым Р. Видларом (спустя два года после окончания университета, где он получил степень бакалавра). Все это способствовало бурному прогрессу в развитии информационной электроники и микроминиатюризации электронных устройств. Эти тенденции получили еще большее развитие с появлением больших (БИС – 1969 г.), а затем и сверхбольших (СБИС – 1975 г.) интегральных микросхем, которые позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор – СБИС, содержащая десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле. Первый четырехразрядный микропроцессор был изготовлен фирмой Intel в 1971 г., а на следующий год - восьмиразрядный.

В настоящее время интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые приборы стали основной элементной базой современных устройств промышленной электроники. Совместно с ними применяются резисторы, конденсаторы, дроссели.