Цифровая техника

Статическая крутизна характеристики S показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется как отношение приращения тока стока к вызвавшему его малому приращению напряжения затвор — исток при постоянном напряжении сток — исток:

Крутизна определяет наклон стоко-затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее  действие затвора. Численное значение крутизны можно найти по стоко-затворной  характеристике, взяв для данной точки малое приращение напряжения Δ Uзи и соответствующее ему приращение тока Δ Ic (см. рис. 2.3). Наибольшее значение имеет крутизна характеристики в точке на оси тока при Uзи = 0. С увеличением Uзи крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра S = 0.1 – 8 мА/В.

Рисунок 2.3 – Определение крутизны МДП-транзистора

по семейству выходных характеристик

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Начертить схему  параллельного одностороннего диодного  ограничителя амплитуды снизу.  Как влияет величина полярности  напряжения смещения на уровень  ограничения? Привести временные диаграммы.

 

 

Амплитудные ограничители можно выполнить на диодах, транзисторах и многоэлектродных ЭУЛ. Наибольшее распространение получили диодные ограничители.

Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В параллельном диодном ограничителе диод включается параллельно нагрузке.

Ограничение «снизу» (рисунок 3.1) или «сверху» (рисунок 3.2) определяется способом подключения выводов диода.

Рисунок 3.1 –  Схема параллельного диодного ограничителя «сверху» (а) и графики входного и выходного напряжений (б)

Рисунок 3.2 –  Схема параллельного диодного ограничителя «снизу» (а) и графики входного и  выходного напряжений (б)

 

В схеме на рис. 3.2, а в исходном состоянии диод VD открыт. Когда на вход подается сигнал положительной полярности, он вследствие падения напряжения на резисторе Roгр не поступает на выход до тех пор, пока не достигнет значения U1, после чего диод закрывается и сигнал поступает на выход ограничителя. Таким образом, рассматриваемый ограничитель пропускает только сигналы, которые больше напряжения U1.

В зависимости от полярности смещения и включения диода можно  срезать и положительные, и отрицательные  импульсы

4. Чем вызвана необходимость  миниатюризации и микроминиатюризации  электронных изделий? Что представляют собой модули и микромодули? Расшифруйте марку микросхем К157УД1; К142ЕН5.

 

Электронная аппаратура содержит большое количество функциональных блоков и узлов, построенных на элементах — электрорадиодеталях. Элементы — это полупроводниковые приборы, электронные лампы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и пр. С развитием радиоэлектроники эти элементы совершенствовались: снижались их габариты и масса, увеличивались долговечность и надежность, повышались мощность и эффективность. На первом этапе развития элементную базу радиоэлектронной аппаратуры составляли электровакуумные приборы; затем их постепенно вытеснили полупроводниковые приборы, имеющие несомненные преимущества благодаря меньшим габаритам, отсутствию накала, большей долговечности и надежности. На втором этапе развития элементной базы — с появлением транзисторов и печатного монтажа - размеры электронной аппаратуры уменьшились, а плотность монтажа возросла. Однако возрастающая сложность электронных систем (в частности, электронно-вычислительных машин и компьютерной техники) требовала дальнейшего увеличения количества элементов, а следовательно, их миниатюризации.

Так появились модули — элементарные узлы электронной  аппаратуры, выполняющие определенные функции. На типовых модулях, выпускаемых промышленностью, можно построить блоки различных устройств, что сокращает время их разработки и производства, снижает стоимость аппаратуры и повышает ее надежность.

Модуль представляет собой конструктивно законченную  функциональную часть схемы, а серия модулей различного назначения должна иметь единое конструктивное исполнение, чтобы из них легко собиралось все устройство.

Дальнейшее уменьшение размеров и веса электронной аппаратуры привело к микроминиатюризации ее элементов. Это потребовало разработки и применения новой технологии изготовления микроэлементов схем, новых конструкций, объединяющих эти микроэлементы в микромодули, а также новых методов конструирования электронных устройств на микромодулях.

Микромодуль — это миниатюрный модуль, представляющий собой законченный функциональный и конструктивный блок радиоэлектронной аппаратуры (усилитель, генератор и т. д.) или набор элементов. Он появился на первом этапе микроминиатюризации электронных устройств. Микромодуль собирается из микроэлементов, которые представляют собой микроминиатюрные радиодетали, укрепленные каждая на микроплате определенной формы. Наиболее удобная конструкция микромодуля — этажерочная (рис. 4.1). В ней набор микроплат с микроэлементами располагается в виде этажерки, в которой эти микроплаты соединяются между собой жесткими проводниками, проходящими через пазы по боковым сторонам плат.

 

а — микроплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы; г — готовый модуль;

R — резистор; С — конденсатор; L — катушка индуктивности;

Д — диод, Т —транзистор

 

Рисунок 4.1 - Конструкция этажерочного модуля:

Микроплата служит для  размещения на ней как специальных  навесных микроэлементов, так и печатных элементов и соединительных проводников. Соединительные проводники впаивают в металлизированные пазы платы, служащие контактами при сборке этажерочного модуля. Размеры микроплаты: сторона квадрата — 9,6 мм, толщина — 0,5—1,4 мм. Платы изготовляют из специального изоляционного материала, обладающего большой механической прочностью при малой толщине, для правильного расположения микроэлементов на плате и микроплат при сборке микромодуля в соответствии с требуемой электрической схемой на плате в углу имеется вырез, являющийся ключом. Пазы нумеруются, начиная от ключа, по часовой стрелке.

Готовые микроэлементы представляют собой микроплаты с размещенными на них и электрически с ними соединенными радиодеталями в микромодульном исполнении.

После сборки этажерки ее заливают компаундом и помещают в алюминиевый экран, а торец, в котором располагаются выводы, заливают застывающим эпоксидным компаундом. Это создает механическую прочность, герметизацию от воздействий влаги и защиту от внешних электростатических полей.

Плотность компоновки элементов  в микромодулях составляет 10—20 в 1 см3, в то время как в модулях она не превышает 3 — 5 элементов в 1 см3. Еще большую плотность компоновки и одновременно более высокую надежность имеют полиэлементные модули, у которых на каждой плате размещены не один, а несколько элементов.

Этажерочные микромодули удовлетворяли требованиям, предъявляемым к ним на первом этапе микроминиатюризации аппаратуры. Они имели стандартную конструкцию, универсальные микроэлементы, позволяли монтировать аппаратуру из микромодулей на печатных платах, создавали возможность автоматизации их производства.

Однако основной их недостаток — сборка из дискретных радиодеталей — привел к тому, что с усложнением  и дальнейшим развитием электронных  устройств значительно возросло количество необходимых отдельных  компонентов и соединений между ними, а плотность компоновки оставалась сравнительно низкой, это в свою очередь делало аппаратуру очень громоздкой, дорогой и недостаточно надежной.

Дальнейшая микроминиатюризация дискретных элементов, даже в микромодульном исполнении, не может решить проблем, связанных с изготовлением огромного количества очень малых деталей, необходимостью их испытания, упаковки, транспортировки, вторичного испытания и соединения в схеме устройства. Надежность аппаратуры при этом снижается, а необходимость резервирования узлов делает ее еще более громоздкой и повышает стоимость.

Решение этих проблем  привело к новому перспективному этапу развития элементной базы электроники  — к микроэлектронике.

 

Система буквенно-цифровых обозначений ИМС состоит из четырех элементов, установленных ГОСТ 19480—74.

Первый элемент — цифра, обозначающая конструктивно-технологическую группу: полупроводниковые, гибридные и прочие. Полупроводниковым ИМС присвоены цифры 1 и 5 для корпусных ИМС, 7 — для бескорпусных; гибридным ИМС присвоены цифры 2, 4, 6, 8; прочим ИМС — цифра 3. К прочим относят пленочные ИМС, вакуумные и керамические. Пленочные ИМС выпускаются в ограниченном количестве.

Второй элемент — две-три цифры, указывающие на порядковый номер разработки данной серии. Первые два элемента вместе составляют число, указывающее на полный номер данной серии ИМС. Микросхемы широкого применения имеют перед номером серии букву К. Отсутствие буквы К означает изделие специального применения, по заказу потребителя.

Третий элемент — две буквы, первая из которых соответствует подгруппе по функциональному назначению, а вторая — виду в данной подгруппе. Например, первая буква Г — генераторы, Д — детекторы, К — коммутаторы и ключи,                  Л — логические элементы, Х — многофункциональные микросхемы,                          М —модуляторы, Н — наборы элементов, П — преобразователи, Е — вторичные источники питания, Т — триггеры, У — усилители, Ф — фильтры и т. д.  
Примеры буквенного обозначения вида (вторая буква): для усилителей высокой частоты — буква В, низкой частоты — Н, промежуточной частоты — Р, импульсных сигналов — И. постоянного тока — Т, операционных и дифференциальных — д. прочих — П; для вторичных источников питания: выпрямители — В, стабилизаторы напряжения Н, стабилизаторы тока — Т. прочие — П;  
для набора элементов: диодов — д, транзисторов — Т, резисторов — Р, конденсаторов — Е, комбинированных — К, прочих — П; для логических элементов: И — элемент И, Н — элемент НЕ. Л — элемент ИЛИ, С — элемент И — ИЛИ, А — элемент И — НЕ, Е — элемент ИЛИ — НЕ, Р — элемент И — ИЛИ НЕ и т. д.

Четвертый элемент — одна или несколько цифр, указывающих порядковый номер разработки ИМС в данной серии.

После четвертого элемента может стоять буква, отличающая данный тип в серии от другого по разбросу параметров, конкретные значения которых приводятся в справочниках.

К157УД1 – усилитель  операционный широкого применения, серия  К157, полупроводниковая ИМС, порядковый номер разработки серии 57, порядковый номер разработки усилителя операционного в данной серии 1.

К142ЕН5 – вторичный  источник питания стабилизатор напряжения широкого применения, серия К142, полупроводниковая  ИМС, порядковый номер разработки серии 42, порядковый номер разработки вторичный источник питания стабилизатор напряжения в данной серии 5.

 

5. Начертить структурную  схему и объяснить принцип  действия светоизлучающего диода.  Привести его характеристики  и указать область применения.

 

Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковый прибор с одним р-п переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.

Светодиоды предназначены  для использования в устройствах  визуального представления информации, а также в качестве светоизлучающего элемента в оптоэлектронных устройствах.

Принцип действия светодиода основан на излучении света р-п переходом некоторых полупроводников, вызываемом рекомбинацией электронов и дырок при прохождении прямого тока.

Светодиод имеет двухслойную  структуру (рис. 5.1, а). Процессы, происходящие в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения и при прямом напряжении, такие же, как в обычном полупроводниковом диоде, но главную роль в светодиоде играют процессы рекомбинации. В собственных и примесных полупроводниках наряду с генерацией электронно-дырочных пар (за счет поглощения дополнительной энергии) происходят обратные процессы — рекомбинации электронов и дырок с выделением квантов энергии.

В большинстве полупроводников, в том числе в германии и  в кремнии, выделяемая при рекомбинации энергия в основном превращается в тепловую, а излучаемая энергия мала; излучение из-за малой ширины запрещенной зоны находится в невидимой части спектра. В этом случае рекомбинация носит название безызлучательной.

Рисунок 5.1 – Структура  светодиода (а) и энергетическая диаграмма, поясняющая его принцип действия (б)

 

В некоторых полупроводниках, имеющих большую ширину запрещенной  зоны ΔWз, например арсениде галлия (1,5 эВ), фосфиде галлия (2,2 эВ), карбиде кремния (2,5 — З эВ) и других, рекомбинация сопровождается выделением квантов света (фотонов), т. е. является излучательной.

При отсутствии внешнего напряжения на светодиоде интенсивность  рекомбинаций настолько незначительна, что излучение р-п перехода не наблюдается. Обычно светодиоды изготовляют с несимметричным р-п переходом: концентрация дырок в р-области значительно превышает концентрацию электронов в n-области.

При включении источника  прямого напряжения через р-n переход проходит большой ток за счет инжекции дырок из р-области в n-область. В результате n-область вблизи р-n перехода насыщается дырками, происходит интенсивная их рекомбинация с электронами, сопровождающаяся в рассматриваемых полупроводниках излучением света. Интенсивность излучения пропорциональна количеству носителей заряда, инжектированных через р-n переход. Поэтому светодиоды называют инжекционными. Lля увеличения яркости свечения необходимо увеличивать прямой ток через светодиод. Чтобы обеспечить достаточную яркость излучения, требуется создать плотность тока порядка 30 А/см, а поскольку площадь р-n перехода очень мала, то прямой ток составляет обычно     5 - 100 мА.