Цифровая техника

Вариант 10

 

1. Начертить схему  включения пентода и указать  назначение всех электродов. По  данным таблицы построить семейство  анодных характеристик лампы  6Ж32П. Для точки Ua = 200 В и Ug1 = - 1 В рассчитать главные параметры. Расшифровать марку лампы 6Ж32П.

 

Таблица 1.1

Ua, В	0	40	80	120	160	200	240	280	Ug2 = 140 B Ug3 = 0 В
Ia, мА	0	5,3	5,7	5,8	5,9	5,95	6,0	6,0	Ug1 = - 0,5 B
Ia, мА	0	4,2	4,5	4,55	4,6	4,65	4,7	4,7	Ug1 = - 1 B
Ia, мА	0	3,3	3,6	3,65	3,7	3,75	3,8	3,8	Ug1 = - 1,5 B

 

Решение.

 

Пентод - электровакуумный прибор, представляющий собой пять электродов - анод, катод и три сетки (управляющая, экранирующая и антидинатронная), заключенных в газонепроницаемую оболочку (рисунок 1.1 а)

Катод служит для эмиссии (испускания) электронов.

Анод принимает электроны, испускаемые анодом. Анод притягивает электроны, если они имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Первая сетка –  управляющая – расположена между  анодом и катодом. Управляющая сетка  служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки, то изменяется электрическое поле и вследствие этого изменяется катодный ток лампы. Для величин, относящихся к экранирующей сетке, принят индекс g1.

Вторая сетка называется экранирующей или экранной и расположенна между управляющей сеткой и анодом. Назначение экранирующей сетки — повышение коэффициента усиления μ и внутреннего сопротивления R_i а также уменьшение проходной емкости С_а-g. Для величин, относящихся к экранирующей сетке, принят индекс g2.

 

Третья сетка — антидинатронная, или защитная — расположена между анодом и экранирующей сеткой и служит для устранения динатронного эффекта: с помощью этой сетки возле анода создается потенциальный барьер, препятствующий вторичной эмиссии электронов с анода. Защитную сетку обычно   соединяют с катодом   и поэтому на  ней имеется  отрицательный   электрический заряд. Этот заряд отталкивает назад вторичные электроны,   выбитые из поверхности анода, и они не  долетают до   экранирующей   сетки, как в тетроде. Защитная сетка улучшает характеристики лампы, в частности коэффициент усиления пентодов значительно больше, чем у тетродов,  и достигает  нескольких тысяч. Для величин, относящихся к защитной сетке, принят индекс g3.

Схема включения пентода  приведена на рисунке 1.1 в.

Рисунок 1.1 – Пентод:

а – устройство; б –  условное обозначение;

в – схема включения: 1 – управляющая сетка, 2 – экранирующая сетка,

3 – защитная сетка, 4 – катод, 5 - анод

 

Лампе каждого типа присвоено  название, состоящее из цифр и букв, расположенных в определенном порядке.

Первая цифра, входящая в наименование лампы, указывает округленное напряжение, на которое рассчитана ее нить накала (напряжение 6,3 В округляют до 6).

Второй знак - буква - характеризует назначение лампы. Буквой Д обозначают, например, диоды. Если диод предназначен для выпрямления переменного тока, в обозначении этой лампы стоит буква Ц. Буквой С обозначают триоды, буквами К и Ж - маломощные пентоды, буквой П - мощные пентоды и лучевые тетроды, буквой Е - электронно-лучевые индикаторы настройки. Частотно-преобразовательные лампы обозначают буквой А и И, двойные диоды - буквой X. Триод, объединенный в одном баллоне с одним или двумя диодами, обозначают буквой Г, пентод с одним или двумя диодами - буквой Б, двойные триоды - буквой Н, триод - пентоды - буквой Ф.

Третий знак в наименовании лампы указывает порядковый номер данного типа лампы.

Четвертый знак характеризует баллон лампы. Лампы со стеклянными баллонами относительно больших размеров обозначают буквой С, пальчиковые лампы - буквой П, а сверхминиатюрные - буквой Б или А. Отсутствие в наименовании ламп четвертого знака указывает на то, что эта лампа имеет металлический баллон.

Лампа 6Ж32П – маломощный пентод с нитью накала на 6,3 В, тритцать вторая модель пальчикового типа.

Для практических расчетов пользуются характеристиками токов  анода, экранирующей сетки и катода при постоянных напряжениях всех сеток (рис. 1.2, а). Катодный ток мало изменяется при изменении анодного напряжения, а характеристики токов анода и экранирующей сетки имеют две области. В области I (режим возврата) резко возрастает анодный ток и резко спадает ток экранирующей сетки при небольших изменениях анодного напряжения. Это объясняется тем, что при малом анодном напряжении около защитной сетки создается второй потенциальный барьер. При и_а = 0 почти все электроны не могут преодолеть этот барьер и возвращаются на экранирующую сетку. Ее ток максимален, а на анод попадают лишь электроны со значительными начальными скоростями. Они образуют начальный анодный ток I₀.

Анод сильно действует  на второй потенциальный барьер, и  даже незначительное увеличение анодного напряжения приводит к росту анодного тока и уменьшению тока экранирующей сетки. По мере увеличения анодного напряжения второй потенциальный барьер понижается и, когда все электроны, пролетевшие сквозь экранирующую сетку, его преодолевают, наступает режим перехвата.

При дальнейшем повышении  анодного напряжения рост анодного тока происходит главным образом за счет токораспределения. Анод действует на потенциальный барьер около катода через три сетки, и его влияние ослаблено во много раз. Значительные изменения анодного напряжения вызывают очень малые изменения токов (область II). Кривые становятся пологими. Эти участки характеристик обычно используются как рабочие. Высокие значения коэффициента усиления и внутреннего сопротивления получаются именно при работе в области II. Не следует эту область считать режимом насыщения.

 

Рисунок 1.2 - Характеристики пентода для токов анода, экранирующей сетки и катода (а) и семейство анодных характеристик (б) 

 

Семейство анодных характеристик  пентода при и_g2 = const и и_g3 = const дано на рис. 1.2, б. Чем больше отрицательное напряжение управляющей сетки, тем меньше анодный ток и тем ниже проходят характеристики. При этом они идут более полого и ближе друг к другу. Если увеличить напряжение экранирующей сетки, то характеристики расположатся выше и граница между областями I и II (рис. 1.2, а) сдвинется вправо.

Семейство анодных характеристик  пентода 6Ж32П по данным таблицы 1.1 при и_g2 = 140 В и и_g3 = 0 В дано на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Семейство анодных характеристик пентода 6Ж32П 

 

Параметры пентодов определяются аналогично параметрам триода.

1) Крутизна характеристики:

 при u_a = const, и_g2 = const, и_g3 = const. (1.1)

Управляющая сетка в  пентодах расположена так, же, как  и в триодах. Поэтому крутизна у пентодов примерно такая же, как у триодов, т. е. составляет единицы или десятки миллиампер на вольт.

2) Внутреннее сопротивление:

 при u_g1 = const, и_g2 = const, и_g3 = const. (1.2)

Вследствие того что  действие анодного напряжения в пентоде  ослаблено во много раз, сопротивление R_i составляет от сотен килоом до единиц мегаом и сильно зависит от токораспределения.

 

3) Коэффициент усиления:

 .     (1.3)

Коэффициент усиления достигает сотен и тысяч.

На рис. 1.3 показано определение параметров пентода из характеристик для заданной точки Т. Крутизна определяется по точкам А и Б; внутреннее сопротивление — по точкам В и Г, причем неточно, так как приращение тока получается малым. Зная S и R_i находим μ по формуле.

.

А/В

Ом = 0,8 МОм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Начертить структурное устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Пояснить принцип действия. Начертить схему включения этого транзистора с общим истоком. Привести семейство выходных характеристик. Показать, как по ним рассчитывается крутизна характеристики полевого транзистора.

 

МДП-транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах этого вида затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. Структура такого полевого транзистора металл —  
диэлектрик — полупроводник обусловила его название — МДП-транзистор. МДП-транзисторы изготовляют на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка окисла кремния SiO2. Получается структура металл — окисел — полупроводник, называемая МОП-транзистором.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом, созданным в процессе изготовления, и с индуцированным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть р-типа и n-типа.

Типовые структуры полевых транзисторов и схема включения представлены на рис. 2/1. Для сравнения на рис. 2.1,а дана структура с управляющим р-n переходом.

Рисунок 2.1 – Структуры  полевых транзисторов с каналом n-типа:

а – с управляющим p-n-переходом;

б – с изолированным  затвором и встроенным каналом;

в – с изолированным  затвором и индуцированным каналом;

г – схема  включения МДП-транзистора.

. Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 2.1,в. В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке р-типа создаются только области n-типа истока и стока, а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе (Uзи = 0) транзистор остается закрытым независимо от величины и полярности напряжения сток — исток. Это объясняется тем, что при любой полярности оба р-n перехода (исток — подложка и сток — подложка) находятся под обратным напряжением, а канал отсутствует.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока      Uзи > 0 электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхностного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия), т. е. образуется — индуцируется — проводящий канал n-типа. С повышением положительного напряжения на затворе концентрация электронов в индуцированном канале возрастает, растет проводимость канала, а следовательно, и ток стока через него. При снижении положительного напряжения Uзи происходят обратные процессы: концентрация электронов в канале падает, и ток уменьшается. Напряжение на затворе, при котором ток становится равным нулю при данном значении Uси называется пороговым напряжением Uзи пор. При отрицательном напряжении на затворе канал n-типа не индуцируется; транзистор данного типа остается закрытым. Таким образом, МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения.

Семейство стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведено на рис. 2.2, а. По виду характеристики такие же, как для полевых транзисторов с р-п переходом и МДП-транзисторов со встроенным каналом, но их расположение с изменением постоянного значения Uзи иное: при Uзи = 0 ток Iс = 0, поэтому характеристика сливается с осью абсцисс, как и при увеличении постоянного положительного значения Uзи от 0 до Uзи = Uзи пор. С увеличением значения Uзи при котором снимается характеристика, начиная с Uзи > Uзи пор стоковые характеристики идут выше.

Стоко-затворная  характеристика (рис. 2.2, б) выходит из точки на оси напряжений, соответствующей пороговому значению напряжения затвор — исток Uзи пор, идет сначала полого, а затем практически линейно круто вверх.

 

Рисунок 2.2 – Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворных характеристик (б) МДП-транзисора с индуцированным каналом n-типа.

 

 

Преимуществом МДП-транзисторов перед полевыми транзисторами с  управляющим р-n переходом являются гораздо большее входное сопротивление, достигающее Ом, существенно меньшие междуэлектродные емкости, а также возможность получения большей крутизны (до десятков миллиампер на вольт) за счет уменьшения толщины диэлектрического слоя и других конструктивных мер.

Основные параметры полевого транзистора следующие: крутизна стоко-затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока Iс макс при Uзи = 0, максимально допустимое напряжение сток — исток Uси макс, максимально допустимое напряжение затвор — исток Uзи макс, максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей температуры.