История развития электроники.

История развития электроники.

Электрон – с Греч.(янтарь).

Конец 19 начало 20 века – бурное развитие электроники. Первые шаги технической электроники- 1872 г русский электроник Ладыгин А.Н. сделал лампу накаливания.

1884 г американский ученый Эдисон Т.А. открыл явление термоэлектронной эмиссии.

Стимулом для развития электроники послужило изобретение русским ученым Поповым в 1889 г – радио.

1895 г построил первый в мире радиоприемник.

1904 г английский ученый Флеминг открыл двухэлектродный электровакуумный прибор – диод.

1907 г в США изобретено ученым Лиде Форестом – триод, позволяющий усиливать и генерировать сигнал.

1922 г построена самая мощная в мире радиостанция мощностью 400 кВт им.Коминтерна.

В начале 20-х годов Лосев исследовал кристаллический детектор. Под руководством академика Иофе разработана теория полупроводников.

1948 г в США созданы полупроводниковые триоды- транзисторы. За это изобретение создатели этого получили Нойбелевскую премию.

1949 г транзисторы появились в СССР.

Первые интегральные схемы были созданы в США 1958 г Килби и Нойсом независимо друг от друга. А в 1962 г был начат их промышленный выпуск.

В одной интегральной схеме 20000 транзисторов что позволило создать микрокалькулятор, большее количество транзисторов – появились микропроцессоры.

Первые ЭВМ появились в 40-х годах в США в Англии в России практически одновременно.

Первая ЭВМ в СССР сконструирована в Киеве Лебедевым С.А. ЭВМ первого поколения на лампах 1953-1960 гг. были огромными. С начала 60-х годов ЭВМ – второго поколения на дискретных элементах. Начало 70-х годов ЭВМ – третьего поколения на интегральных схемах.

Физические свойства полупроводников. Носители заряда в примесных полупроводниках.

Помимо чистых проводников широко используются примесные полупроводники:

n-типа с избытком отрицательных зарядов;

p-типа с избытком положительных зарядов(дырки);

Для получения полупроводников n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводник только свобоные электроны. Примесь является поставщиком электронов и ее называют донорной.

Для германия и кремния – 4-я группа периодической системы донорной служат элементы 5-й группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют 5 валентных электронов 4электроны каждого атома донорной примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а 5-й избыточный становится свободным. Электроны в таких полупроводниках являются основными носителями заряда, а дырки- неосновными.Рис.1.1.

Ge+Sb n-типа.

Рисунок.1.1

В полупроводниках p-типа введение примеси направлено на повышение конценрации дырок. Задача решается использованием элементов 3-й группы (индий, галий, аллюминий, бор), атомы которых имеют три валентных электрона.

Рисунок.1.2

При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три заполненых ковалентных связей с соседними атомами исходного полупроводника. 4-я связь остается незаполненой. Недостающий валентный электрон принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки. Переход этого электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома. Примесь за счет которой достигается повышение концентрации дырок в полупроводниках называется акцепторной. Ток в дырочном полупроводнике переносится восновном дырками. Дырки являются основными носителями заряда а электроны неосновными.Рис.1.2

Свойства электронно-дырочного p-n перехода.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Это зависимость тока от напряжения I=f(U)

Рисунок 2.4

ВАХ в аналитическом виде

- ток обратно смещенного p-n перехода, либо ток насыщения

- тепловой потенциал, который определяет зависимость ВАХ от температуры.

1). ;

, - можно пренебречь, тогда , то есть зависимость тока от напряжения имеет экспоненциальный характер.

2).

, (см. рис. 2.4)

, , ,

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, в котором используется свойства этого p-n перехода.

- обозначение диодов в схеме.

Выпрямительные диоды

Используются, как правило, для выпрямления переменного тока. Рассмотрим работу выпрямительного диода на схеме однополупериодного выпрямителя:

Рисунок 3.3

Рисунок 3.4 – временные диаграммы

3.4 Выпрямительные диоды делятся по мощности:

1) Диоды малой мощности, которые работают на до 300 .Максимальное обратное напряжение таких диодов лежат в диопозоне от десятков вольт до 1, 5 кВ.

Пример: КД103А; ГД 107 Б.

2)Диоды средней мощности 300 до 10 А. Пропускают больший прямой ток за счёт большей площади кристалла кремниевого диода. Для улучшения условий теплоотвода могут использоваться с радиаторами.

Примеры: КД 202 А; КД 209 Б.

3) Мощные (силовые) диоды, рассчитаны на токи 10А и выше. Выпускаются на токи до 1000А, а обратные напряжения до 3, 5 кВ. Работа их связана с выделением значительной мощности в

p-n переходе, используются как воздушные так и жидкостные охлаждения.

Примеры: ВЛ 10, ВЛ 320.

Обозначение диодов:

Обозначение диодов состоит из четырех элементов:

1. Исходный материал: Г(1); К(2); А(3)-соединения галия

2. Буква указывающая подкласс прибора.

А- сверхвысокочастотные диоды

Б- диоды с объемным эффектом Ганна

В- варикапы

Г- генераторы шума

Д- выпрямительные универсальные или импульсные диоды

И- туннельные или обращенные диоды

К- стабилизаторы тока

Л- излучающие диоды

Н- тиристоры диодные (неуправляемые)

У- тиристоры триодные (управляемые)

С- стабилитроны или стабисторы

Ц- выпрямительные столбы и блоки

3. Число целое, первая цифра которого обозначает классификационный номер, а последующие две цифры от 1 до 99 порядковый номер разработки, кроме стабилитронов и стабисторов. Если вторая буква Д, то первая цифра после нее означает:

1). Выпрямительные диоды малой мощности.

2). Выпрямительные диоды средней мощности.

3). Магнитодиоды.

4). Универсальные диоды.

5), 6), 7), 8), 9) Импульсные диоды с различным временем восстановления обратного сопротивления.

4. Буква, указывающая разновидность прибора данного типа.

Пример: КД204В – кремниевый выпрямительный диод средней мощности, 4-ой разработки, В-разновидности.

Стандарт США:

1). Первый элемент- цифра указывающая число p-n переходов.

1- диоды

2- транзисторы

3- тиристоры

2). N- полупроводниковый прибор

3). Серийный номер прибора

Японский стандарт:

1). Первый элемент

0- фотодиод или фототранзистор

1- диод

2- транзистор

3- тиристор

2). Указывает на то что он полупроводник

3). А- транзисторы p-n-p высокочастотные

R- выпрямительные диоды

Т- лавинные диоды

4). Регистрационный номер

5). Буква, соответствующая модификации прибора

Предельный режим

- максимально допустимый постоянный прямой ток через диод 100 А - средний максимально допустимый прямой

- максимально допустимый импульсный прямой ток 2А

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение 50В

- - максимально допустимая мощность рассеяния на диоде обеспечивающая заданную надёжность при длительной работе

- диапозон на любой частоте которого выпрямленный ток не ниже заданного 4кГц

Универсальные диоды

Высокочастотные диоды – это приборы универсального, назначения используются для выпрямления, детектирования и других нелинейных преобразователей электрических сигналов в диапозоне частот до1000МГц. Маркируются: КД407А, ГД402Б.Имеет точечную структуру p-n перехода. При этом точечный переход определяет нам ёмкость малой иелечины С< 1пФ, если малые ёмкости, то высокие частоты. Малая площадь p-n перехода не позволяет рассматривать большие мощности, то есть используются в схемах, где токи менее нескольких десятков (10мкА) и обратные напряжения менее нескольких десятков вольт. К основным параметрам кроме рассмотренных выше добавляется ёмкость диода. Это общая ёмкость диода измеренных между выводами диода при заданном обратном напряжении и частоте.

ГД402А ГД402Б

С_Д = 0, 8 пФ С_Д= 0, 5 пФ

КД104А =>

Стабилитроны

Это полупроводниковые приборы, рабочим участком которых является область электрического пробоя. Напряжение в этой области слабо зависит от тока. Основное назначение стабилитронов – стабилизация напряжения в аппаратуре широкого применения. Рассмотрим ВАХстабилитрона.

Это зависимость тока от напряжений.

Обозначение.

Рисунок 4.1

При изменении тока в широких пределах напряжение стабилизации практически не меняется. Это свойство используется для стабилизации напряжения. (см.Рис. 3.1)

Мощные стабилитроны

7). до 10 В

8). 10-99 В

9). 100-199 В

Стабисторы

Используются для стабилизации напряжения. Стабисторы это полупроводниковые диоды, у которых используется прямая ветвь ВАХ. Включение стабистора – прямое.

ВАХ стабистора:

Рисунок 5.1

Стабисторы используются для стабилизации низковольтных напряжений U_ст= 0, 3 ÷ 1В

Д 219С

Д 220С

Д 223С

Импульсные диоды

Они широко используются в цифровой технике. Импульсные диоды предназначены для применения в импульсных и цифровых схемах. Они являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в импульсных режимах. Помимо высокочастотных свойств они должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. У них малая площадь p-n перехода и малая емкость.

При подаче прямого напряжения на диод имеет место скачок напряжения на диоде, которое затем уменьшается до величины U_пр.уст(см Рис. 4.1).

Снижение напряжения на диоде до значения U_пр.уст происходит за время t_уст – время установления прямого сопротивления или напряжения.

Рисунок 6.1

Если прямое напряжение быстро изменить на обратное, то имеет место скачок обратного тока на диоде, который затем уменьшается до значения I_{обр.уст} (см. Рис. 4.2)

Промежуток времени с момента подачи обратного напряжения до момента, когда ток достигает до своего установившегося значения называется временем восстановления обратного сопротивления диода. t_вост или τ _вост. Этими величинами t_уст и t_востопределяется время переключения импульсных диодов.

Рисунок 6.2

Обозначение:

КД507А

5 t_вост100нс и более

9 t_вост1нс и менее

6.1 Импульсные диоды обязательно характеризуются такими параметрами:

С_Д емкость диода, и t_вост. импульсные диоды – маломощные диоды.

Пример: рассмотрим основные параметры диода ГД507А

Тип	I_пр.срmA	I_пр.имп_.max, mA	U_обр_.maxВ	I_обр μ А	t_востнс	С_Д пФ
ГД507А						0, 8

Выпускается в виде диодных матриц, которые содержат несколько импульсных диодов. Рассмотрим диодную сборку КДС525.

Рисунок 6.3

Варикапы

Это полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения. Обозначение:

2В102А

В варикапах используется емкость обратно включенного p-n перехода который называется барьерный.

Рисунок 6.4

d – ширина p-n перехода, (4.1)

Изменяя приложенное обратное напряжение к варикапу мы изменяем ширину p-n перехода и соответственно величину барьерной емкости p-n перехода. Основная характеристика варикапа- вольто-фарадная характеристика диода

Область излучения

0, 2 ÷ 0, 4 мкм – ультрафиолетовый

0, 54 мкм – зеленый

0, 56 мкм – желтый

0, 62 мкм – оранжевый

0, 65 ÷ 0, 75 мкм – красный

0, 76 ÷ 100 мкм – инфракрасная область

6.5 Основные параметры светодиодов

Таблица 1

Тип	В Кг/м²	U_пр.max В	Р_изм мВт		U_обр.max U_{обр.им.max}	I_пр.max А	Цвет свечения
АЛ102А		3, 2	-	-	(2)		красный
АЛ106А	-	1, 7	0, 2	0, 92-0, 94			инфракрасный

Фотодиоды

Это полупроводниковый прибор, предназначеный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Материалы: Ge, Si, GaAs, InAs, Se.

Обозначение:

- ФД24К

Используются в автоматическом устройстве. Они находят широкое применение в фотометрии для контроля источников света, измерение интенсивности освещения, прозрачности среды и других параметров, изменение которых сопровождается изменением оптических свойств вещества или среды. Они могут работать в двух режимах: фотодиодном и фотогенераторном.

Фотодиодный режим

В этом режиме используются фотодиоды с p-n переходом, смещенным в обратном направлении.

Рисунок 7.1

ВАХ фотодиодов:

Рисунок 7.2

Принцип действия фотодиодов

При поглощении квантов света в p-n переходе или прилегающих к нему областях кристалла образуются новые носители заряда. (пары электрон-дырка). Неосновные носители заряда, возникающие в кристалле, проходят через p-n переход под действием электрического поля. Причем, обратный ток через фотодиод возрастает при освещении на величину, называемую фототоком. Все это явление называется внутренний фотоэффект. Одной из основных характеристик является спектральная характеристика – это зависимость спектральной чувствительности от длины волны падающего света.

Рисунок 7.3

Фотогенераторный режим

Это режим, когда сам фотоэлемент будет являтся источником энергии. В фотогенераторном режиме фотоэлемент работает без дополнительной энергии.

Принцип дейсвия:

При поглощении квантов света в p-n переходе или прилегающих к нему областях кристалла образуются новые носители заряда. (пары электрон-дырка). Под дейсвием контактной разности потенциалов на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи образуется разность потенциалов, называемая фотоэдс.

Материалы: Si, InP, GaAs, и другие.

Солнечные батареи это совокупность электрически соединенных фотоэлементов. В качестве этих батарей используется Si, потому что максимуму спектральной характеристики кремниевого фотодиода соответствует максимум спектрального распределения энергии солнечного света. КПД солнечной батареи 40%.

Оптроны

Это полупроводниковые приборы, состоящие из преобразователя электрического сигнала в световой (излучатель) и преобразователя светового сигнала в электрический (фотоприемник).

В электронных устройствах оптроны выполняют функцию оптической связи, а также используются для электрической развязки. Пары (светодиод – фотодиод ) подбираются по спектральной характеристике, так, чтобы максимальная чувствительность фотодиода соответствовала диапазону длин волн с наибольшей интенсивностью излучения. Широко используются оптроны, у которых светодиод и фотодиод соединены с помощью оптического волокна. Очень прогрессивно, кабель почти не имеет потерь. Применяются: в автоматике и вычислительной технике, контрольно-измерительных устройствах.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами. Состоит из трех областей чередующимися типами проводимости, а именно:

p-n-p транзистор

Рисунок 8.1

Э- эмиттер, К- коллектор, Б- база.

П₁- эммиттерный p-n переход

П₂- коллекторный p-n переход

- n-p-n транзистор

Рисунок 8.2

p-n-p транзистор n-p-n транзистор

Рисунок 8.3.1 Рисунок 8.3.2

Ток в транзисторе определяется движением заряда двух типов, поэтому такие транзисторы называются биполярными.

Эммитер – является источником носителей заряда, которые в основном создают ток прибора. Это слой с большой концентрацией примеси и относительной малой площадью.

База – это средний слой малой ширины с низкой концентрацией примеси.

Коллектор – принимает носителей заряда, поступающие от эмиттера имеет большую площадь по сравнению с эмиттером, чтобы полнее обеспечить прием носителей зарядов.

Обозначение транзисторов.

КТ940А

_I_II_III_IV

I- буква или цифра, указывающая исходный материал.

II- буква, указывающая подкласс прибора.

III- число, первая цифра которого обозначает классификационный номер, а последующие две цифры от 1 до 99 порядковый номер разработки.

1 транзисторы малой мощности у которых Р_К_max до 0, 3 Вт

2 f_ГР до 3МГц

5 средней мощности у которых Р_К_max от 0, 3 Вт до1, 5 Вт

8 большой мощности у которых Р_К_max свыше 1, 5 Вт

IV- буква, указывающая разновидность прибора.

h- параметры транзистора.

Транзистор – это нелинейный элемент. Зависимость между током и напряжением нелинейная, но если взять их малые приращения, то связь между током и напряжением можно считать линейной. Транзистор можно представить в виде линейного 4-х полюсника.

Рисунок 8.7

Связь между входными параметрами I_1, U₁и выходными параметрами I₂, U₂ может быть выражена системой двух линейных уравнений.

Связь между током и напряжением выражено через -параметры, при этом - параметры имеют вполне определённый физический смысл.

1. , при входное сопротивление.

2. , при - коэффициент передачи тока

3. , при - коэффициент обратной связи по напряжению.

4. , при выходная проводимость.

мА.

Пример: Определение h-параметров по ВАХ

Определим:

Рисунок 8.8.1

Рисунок 8.8.2

Полевые транзисторы.

Преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными высокое входное сопротивление, отличаются высокой технологичностью и меньшая стоимость.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающем с приложением напряжения между затвором и истоком. Они часто называются униполярными транзисторами.

В полевых транзисторах принцип действия основан на использовании носителей заряда одного знака (электронов или дырок).

Они бывают двух типов:

1.Транзисторы с управляющим p-n переходом.

2.Транзисторы с изолированным затвором.

Принцип действия.

Приложим напряжение сток- исток при этом электроны через n- канал перемещаются от истока к стоку. - максимален при . Подаём напряжение на при этом p-n переход смещён в обратном направлении. При увеличении ширина p-n перехода увеличивается за счёт n-канала. При этом сечение тока, проводящего канала уменьшается. Его проводимость уменьшается и выходной ток также уменьшается.

Амплитудная характеристика

Зависимость выходного напряжения от входного напряжения при

при .

Рисунок 10.3

Эта характеристика определяет коэффициент усиления по напряжению.

. 1-2 – рабочий участок. напряжение помех.

Реальная амплитудная характеристика не проходит через начало координат в виду наличия на его выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок ниже точки 1 не используется, так как полезный сигнал трудно отличить от напряжения собственных помех усилителя. Полезный сигнал должен превышать уровень помех в 2-3 раза.

Искажения в усилителях.

При усилении электрических сигналов могут возникать частотные, фазовые и нелинейные искажения.

10.2.1 Частотные искажения:

Они обусловлены изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.

Рисунок 10.8

Частотные искажения усилителя оцениваются по его амплитудо-частотной характеристике. Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений. ;

; .

Причиной частотных искажений является наличие реактивных элементов, в частности конденсаторов.

, отсюда следует, что частотные искажения можно скомпенсировать.

Частотные искажения усилителя сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным напряжениями, то есть фазовыми искажениями.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых сигналов, вызванные нелинейными свойствами цепи, через которые эти сигналы проходят. Основная причина нелинейных искажений – это нелинейность усилительных элементов в схеме, а также наличие трансформаторов, дросселей.

Рисунок 10.9

Наличие нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений, коэффициентом гармоник. По теореме Фурье всякие несинусоидальный периодический сигнал может быть представлен суммой гармонических колебаний основной частоты и высших гармоник.

, где - амплитудное и действующее значения тока и напряжения основной частоты.

амплитудное и действующее значения тока и напряжения высших

гармоник

Допустимая величина коэффициента гармоник определяется: назначением усилителя. Коэффициент гармоник изменяется в процентах. Он составляет десятые доли процента.

Назначение элементов

-разделительные конденсаторы;

, для постоянного тока

- не дает постоянному току пройти в цепь источника входного сигнала.

- не позволяет постоянному току пройти в цепь нагрузки.

и - делитель напряжения. Обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току. Подаёт напряжение – смещения на базу транзистора.

усилительный элемент.

- источник питания.

- коллекторный резистор. Обеспечивает падение напряжения при протекании коллекторного тока.

- эмиттерный резистор. Обеспечивает температурную стабилизацию схемы. Обеспечивает обратную связь по постоянному току, а по переменному току такая связь не нужна, так как она будет снижать коэффициент усиления схемы. Поэтому включают конденсатор , который шунтирует резистор и уменьшает общее сопротивление в цепи эмиттера на переменном токе

- уменьшается из-за того, что частота увеличивается. Сопротивление эмиттера параллельно конденсатору эмиттера - определяется меньшим. Суммарное сопротивление на переменном токе уменьшается.

Принцип работы схемы

Подаем входной сигнал, появляется входной ток, соответственно появляется переменный базовый ток , появляется переменный колектоный ток и появляется падение напряжения на этом резисторе и соответственно появляется выходной ток и выходное напряжение и

При чем так как схема с общим эмиттером

Схема усиливает ток и напряжение. ; - действующее значение переменного напряжения на выходе схемы.

Усилители мощности.

Свойства данного режима

1. Минимальные нелинейные искажения.

2. Низкий КПД (недостаток). , - полезная мощность, - потребляемая мощность от всех источников питания.

, - коллекторный ток в режиме покоя.

КПД мал потому что очень большой, , поэтому такой режим работы используется в маломощных усилительных каскадах предварительного усиления.

Режим класса В – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течении половины периода сигнала. Рабочая точка находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой , то есть (см. рис.13.1). Ток протекает половину периода сигнала .

При наличии входного сигнала ток коллектора протекает только в течении одного полупериода, а в течении другого транзистор работает в режиме отсечки тока, так как область ниже кривой при называется областью отсечки (см. рис. 13.1). режиму покоя соответствует напряжение , то есть напряжение на базу не подается при этом . Основное достоинство этой схемы – малое потребление энергии, так как мал и следовательно высокий КПД= 60÷ 70%. Недостатком режима являются большие нелинейные искажения, так как рабочая точка находится на нелинейном участке входной вольт-амперной характеристики.

Используется в следствии высокой экономичности в усилителях большой мощности, мощных усилительных каскадах, в двухтактных усилительных каскадах, когда в одном такте усиливается одна полуволна, а в другом – другая полуволна.

Режим класса АВ – является промежуточным между режимами А и В. в этом режиме подается такое смещение на базу, чтобы рабочая точка попала на начало линейного участка входной вольт-амперной характеристики. Это позволит существенно уменьшить нелинейные искажения входного сигнала, а КПД останется достаточно большим (см.рис. 13.2). Это наиболее используемый режим отсечки.

Режим класса С – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи течет меньше половины периода сигнала, рабочая точка располагается на пересечении линии нагрузки с горизонтальной осью выходной вольт-амперной характеристики (см. рис 13.1). Используется в мощных резонансных усилителях, где нагрузка является резонансный контур (в радиопередающих устройствах).

Режим класса D – это ключевой режим, при котором усилительный элемент находится только в двух состояниях: либо заперт – режим отсечки, либо полностью открыт – режим насыщения. В ключевом режиме потери энергии малы, а КПД – высок и более 90%,

Используется в импульсных и цифровых схемах.

Каскады усиления мощности.

Обычно являются выходными каскадами к которым подключаются нагрузка и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности. Могут быть однотактными и двухтактными, трансформаторными и бестрансформаторными. Могут включаться по разным схемам. Они могут быть достаточно разными. Вид выходного каскада определяется режимом работы.

Стабилизатор напряжения.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒