Электроника. ЭЛЕКТРОНИКА ЖӘНЕ АНАЛОГТЫҚ ҚҰРЫЛҒЫЛАР СХЕМОТЕХНИКАСЫ. Алматы энергетика жне байланыс институты электроника жне компьютерлік технологиялар кафедрасы
 Скачать 89.06 Kb.
|
|
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ ЭЛЕКТРОНИКА ЖӘНЕ КОМПЬЮТЕРЛІК ТЕХНОЛОГИЯЛАР КАФЕДРАСЫ ЭЛЕКТРОНИКА ЖӘНЕ АНАЛОГТЫҚ ҚҰРЫЛҒЫЛАР СХЕМОТЕХНИКАСЫ (050719 – мамандығының күндізгі бөлімінің студенттеріне арналған) Оку құралы КЕЛІСМ БЕРГЕН ЭКТ кафедрасының отырысында қарастырылды және мақұланды Алматы 2009 Электроника жјне аналогтыќ ќўрылєылар схемотехникасы:. Оку ќўралы Б.М.Шайхин, Ў.Ќ.Дегембаева Оқу құралында пәннің оқылу шеңберінде қалып қоймай, электронды техника құрушылары және олардың аналогтық құрылғылар схемотехникасында қолданылуы қарастырылған. Нақты схемалардың жұмыс істеу қағидалаы, олардың ерекшеліктері және негізгі сипаттамалары келтірілеген. Мазмұны Кіріспе. 1.1 Заттың құрылысы туралы негізгі түсініктер.. 1.2 Электрондардың электр өрісі ішінде қозғалуы . 1.3 Заттың құрылымы . 2 Шала өткізгішті диод 2.1 Диодтың вольт амперлік- сипаттамасы 2.2 Варикаптар 2.4 Жоғарғы жиілікті диодтар (ЖЖД) 3 Биполярлық транзистордың құрылысы мен жұмыс істеу қағидасы… 3.1Эмиттер тоғының беріліс еселеуіші ((коэффициенті). 3.2Дәріптелген транзистор және оның ВАС - ы... 4.1 БПТ-нің статикалық сипаттамаларына температураның әсері. 5 Өрістік транзисторлар. 6 Бір p-n-ауысуы бар транзистор.. 7 Кремнийден жасалған басқарылатын диод және тиристорлар тобы (үйірі).. 8 Күшейткіштік жұмыс нүктесін тұрақтандыру.. 9 Күшейткіштер туралы түсінік. Операциялық күшейткіштер.. 10 Күшейткіштердегі кері байланыс. Кері байланыстың түрлері.. 11 Тұрақты ток күшейткіштері. Негізгі қағидалар.. 12 Транзисторлы дифференциалдық күшейткіш. 13 Үзгіші бар тұрақты ток күшейткіші.. 14 Интегралды операциялық күшейткіштер және олардың негізіндегі схемалар.. 15 Терістеуші күшейткіш (инвертор). 16 Қосындылағыш.. 17 Кернеудің қайталағышы.. 18. Терістемейтін.күшейткіш.. 19 Операциялық дифференциалдық күшейткіш (ДК).. 20 Интегратор. 21 Дифференциатор.. 22 Сүзгілер..... 23 Шмитт триггері... 24 Кернеу қайталағышы/инвертор.. 25 Ток/кернеу түрлендіру.. 26 Шығыс сигналы сызықты өзгеретін схема.. 27. Максимал мәндерді бөліп шығару схемасы… 27 ОК негізіндегі тікбұрышты импульстер генераторы. 28 Интегралдық схемалар негізіндегі күшейткіштер.. 29 Логикалық элементтер және логикалық функциялар.. 30 Аналогты-цифрлық функционалды құрылғылар.. 32 Әдебиеттер тізімі… Кіріспе «Электроника және аналогтық құрылғылар схемотехникасы деген пән оқу процесінің түйінді пәні болып табылады. Оның мақсаты – типтік радиоэлектрондық (РЭ) аппаратураның аналогты күре жолдарының нақтылық схемаларының синтезін, бұл схемалардың құрылымдары мен құраушыларының дәлелді таңдалуын техникалық сауатты орындай алатындай етіп студенттерге білім беру. Оқу құралы аналогтық күшейту күре жолдарын және аналогтық сигналдарды түрлендірудің, соның ішінде тұрақты ток күшейткіштерін, кең жолақты күшейткіштер мен шектік сезгіштікті күшейткіштерін, қуат және қарқындылығы үлкен сигналдар күшейткіштерін, сызықты, сызықты емес және параметрлік типті түрлендірудің аналогтық функционалдық құрылғыларын ұйымдастыруда пайдаланылатын негізгі (типтік) базалық схемаларының жиналу принципі мен жұмыс істеуі қарастырылған. Оқу құралында жиналған мәліметтер, қазіргі заман техникасының әдістерін және аналогты схемаларды жобалауда есептеуіш техника құралдарын пайдаланудың даму бағытын, аналогты күре жолдарының параметрлері мен сипаттамаларының нақты күшейткіш аспапқа және оның жұмыс істеу шарттарына болмашы тәуелділікті қамтамасыз ететін, аналогты күре жол құраушыларының қасиеттері туралы тек шектелген бастапқы деректері барында ғана оның қасиеттерін талдау мүмкіндігін беретін схемалық ұйымдастырулардың қолдануын қамтиды.Осының салдарынан оқу құралындағы мәліметтердің негізгі баяндалуы, физикалық балама схемаларының қолданылуына, соның ішінде күшейткіш аспаптардың және электрондық тізбектердің қасиеттерін, олардың Y - параметрлерін сипаттағанда бірінші кезекте пайдаланылуына, инженерлік қолдану үшін бейімделінген кері байланыс теориясының негізгі баптарын (ереже жиынтығын) қарастырылуына негізделеді. Күшейткіш каскадтарды талдағанда біз жеңілдіктер енгіземіз – орын басу схемаларына көшеміз, ал содан кейін күшейткішті төртполюстік ретінде қарастырамыз және т.с.с. РЭ аппаратураны дамытудың қазіргі кезеңінде, жекеленген дискретті құраушылардан жиналған схемаларды микроэлектроника (МЭ) әдістерімен әзірленген және микросхема (МС) деп аталатын дайын функционалдық түйіндерге толығымен алмастыру орын алды. Аналогтық электрондық аппаратураны жетілдіру аналогтық микросхемалардың (АМС) номенклатурасының, яғни қолданылатын (МС) атауларының тізімінің біршама аздығынан туатын кейбір қиындықтармен байланысты. Әдістеріндей, аналогтық МС-тер қосымша сыртқы дискретті элементтермен бірге пайдаланылады да, бұл жағдай микросхеманың электр схемасын білуді талап етеді. Тұтынушыларды (АМС)-термен (оларды кейде сызықты деп те атайды) қамтамасыздандырудың қиындығы негізінен екі себептен болады: керекті МС түрлерінің көптігінен және олардың тұрақтандырылуы мен параметрлерінің бытыраңқылығына қатаң талаптар қойылатындығынан. Дегенмен, аналогтық техниканың көптеген мәселелері әмбебап МС-тердің шектелген санын қолдану жолымен шешіле алады, тек бұл МС-тер электр сигналдардың түрлі функционалдық түрлендірулерін орындауға қабілетті болуы тиіс. Ұқсас МС-тердің әмбебаптығына көбінесе электр схемасының күрделенуімен, олардың құрылымындағы белсенді элементтер санының және сыртқы шықпалар сандарының өсірілуімен жетеді. Шықпаларына резисторларды, конденсаторларды, индуктивтік оралымдарды жалғау МС параметрлеріне елеулі әсер етеді. Сондықтан АМС-терді тиімді пайдалана алу үшін сыртқы шығыс паспорттық деректерді ғана біліп қоймай, бұл берілген АМС-те іске асырылған электр схемасының жұмыс істеу қағидасын да білу керек. Қазіргі АМС-тердің электр схемаларында қарапайым күшейту ұяшығы ретінде көптранзисторлы каскадтар пайдаланылады. Күшейткіш каскад дифференциалдық схема бойынша немесе тізбектеліп қосылған транзисторлардың схемасы бойынша («баспалдақ түріндегі» көптранзисторлы каскад) жиналады. Ғылым мен техникада көп кездесетін инженерлік мәселелерді шешкен кезде электрлік сигналдарды күшейту керектігі тұрады: мысалға электрлік емес мәндерді электрлік мәндерге түрлендіріп өлшегенде, технологиялық процестерді тексеріп және автоматизация жасағанда немесе әртүрлі өнеркәсіптік электрониканың қондырғыларын жасағанда. Электрлік сигналдарды күшейту үшін биполярлық транзисторлар, өрістік транзисторлар және интегральдық микросхемалар кеңінен қолданылады. Бұл күшейткіштер өте әлсіз электрлік сигналдарды (кернеулері 10-7 В, тоқтары 10-14 А шамалас) күшейтуге мүмкіндік береді. Бір транзистордан немесе күшейткіш элементтен және оған қарасты байланыс элементтерінен тұратын күшейткішті каскад деп атайды. Транзисторлар арқылы аса үлкен күшейтуге жету үшін бірнеше күшейткіш каскадтарды қолданады. Күшейту процесі қоректену көзінің энергиясын күшейткіштің сыртқы сигналының энергиясына түрлендіру болып табылады. Бұл процесті басқару күшейткіш элементіне немесе транзисторға әсер ететін кірме сигнал арқылы жүргізіледі. Шығыс сигнал кіріс сигналдың функциясы болып табылады, сонымен қатар шығыс күшейтілген сигналдың қуаты, кіріс күшейтілетін сигналдың қуатынан, қоректену көзінің энергиясының арқасында әлдеқайда артық болады. Оқу құралында аналогтық күшейту күре жолдарын және аналогтық сигналдарды түрлендіру, соның ішінде тұрақты ток күшейткіштерін, кеңжолақты күшейткіштер мен шектік сезгіштікті күшейткіштері, қуат және қарқындылығы үлкен сигналдар күшейткіштері, сызықты, сызықты емес және параметрлік типті түрлендірудің аналогтық функционалдық құрылғыларын ұйымдастыруда пайданылатын негізгі (типтік) базалық схемаларының жиналу принципі мен жұмыс істеуі қарастырылған. Оқу құралында жиналған мәліметтер қазіргі заман техникасының әдістерін және аналогты сұбаларды жобалауда есептеуіш техника құралдарын пайдаланудың даму бағытын, аналогты күре жолдарының параметрлері мен сипаттамаларының нақты күшейткіш аспапқа және оның жұмыс істеу шарттарына болмашы тәуелділікті қамтамасыз ететін аналогты күре жол құраушыларының қасиеттері туралы тек шектелген бастапқы деректері барында ғана оның қасиеттерін талдау мүмкіндігін беретін схемалық ұйымдастырулардың қолдануын қамтиды. Осының салдарынан оқу құралындағы мәліметтердің негізгі баяндалуы физикалық балама схемаларының қолданылуына, соның ішінде күшейткіш аспаптардың және электрондық тізбектердің қасиеттерін, олардың Y -параметрлерін сипаттағанда бірінші кезекте пайдаланылуына, инженерлік қолдану үшін бейімделінген кері байланыс теориясының негізгі баптарын (ереже жиынтығын) қарастырылуына негізделеді. Күшейткіш каскадтарды талдағанда біз оңайлатулар енгіземіз – орын басу схемаларына көшеміз, ал содан кейін күшейткішті төртполюстік ретінде қарастырамыз және т.т. РЭ аппаратураны дамытудың қазіргі кезеңінде, жекеленген дискретті құраушылардан жиналған схемаларды микроэлектроника (МЭ) әдістерімен әзірленген және микросхема (МС) деп аталатын дайын функционалдық түйіндерге толығымен алмастыру орын алды. Аналогтық электрондық аппаратураны жетілдіру аналогтық микросхемалардың (АМС) номенклатурасының, яғни қолданылатын (МС) атауларының тізімінің біршама аздығынан туатын, кейбір қиындықтармен байланысты. Әдеттегідей, аналогтық МС-тер қосымша сыртқы дискретті элементтермен бірге пайдаланылады да, бұл жағдай микросхеманың электр схемасын білуді талап етеді. Тұтынушыларды АМС-термен (оларды кейде сызықты деп те атайды) қамтамасыздандырудың қиындығы негізінен екі себептен болады: керекті МС түрлерінің көптігінен және олардың тұрақтандырылуы мен параметрлерінің бытыраңқылығына қатаң талаптар қойылатындығынан. 1 Электронды техника құраушылары 1.1 Заттың құрылысы туралы негізгі түсініктер Бізді қоршаған дүние заттың ең кіші бөлшектерінен - молекулалардан тұрады да, бұл молекулалар осы заттың барлық қасиеттеріне иеленіп, тәуелсіз өмір сүре алады. Молекулалар әртүрлі атомдар топтарынан құралады. Табиғатта жүзден астам элементтер бар, сутегінен бастап (атомдардың ең жеңілінен бастап) уранға дейін (атомдар арасындағы ең ауырлардың бірі). Атом құрылымы Н.Бордың және басқа физиктердің ғылыми жұмыстары, электрондардың орбиталары белгілі бір қабаттарда орналасады да, бұл қабаттардағы белгілі бір максималды электрондардың саны болуы мүмкін деген тұжырымдарды қамтыған. Бірінші қабатта 2 электрон, екіншісінде 8 электрон. Жалпы жағдайда әрбір қабаттағы электрондар санын келесі өрнектен таба аламыз: 2n2 , бұл жерде n=1,2,3.... және т.б. Химиялық реакциялардың бәрі және электр эффектер әрбір жеке атомның сыртқы қабатындағы электрондардың тәртібімен байланысты! Электрондар және электр тоғы Егер атомның соңғы (сыртқы) қабаты толығымен толтырылмаған болса, электронды ядромен байланыстырушы күштер әлсіз болады. Жылулық әсерінен бұл электрондар оңай (жеңіл) үзіліп алынады да, осының нәтижесінде оң зарядталған атомдар - иондар пайда болады. Еркін электрондар зат ішінде басқа бір ионмен кездескенше орын ауыстырады. Егер, кездескен ионға электрондар жетіспейтін болса, яғни оң таңбалы ион бұл кездескен электронды қармап алады. Еркін электрондардың генерациялануы және олардың қайтадан қармап алынуы үздіксіз процесс, сондықтан да мұндай зат теріс таңбалы газбен (электрондық газбен) сіңдірілген сияқты болады. Егер, осы заттан тұратын дененің қарама-қарсы шеттеріне полярлықтары әртүрлі электр потенциалдарын түсірсек, еркін электрондар потенциалы оң таңбалы түйіспеге қарай үдемелі қозғала бастайды. Қозғалу жолында олар зат құрамындағы атомдармен соқтығысып, энергия бөліп шығарады. Міне, осы энергияны біз жылу түрінде түсінеміз (қабылдаймыз). Бұл процесс нәтижесінде электрондар оң таңбалы түйіспе бағытында тұрақты жылдамдықпен ығиды, электрондардың осындай қозғалысы ток тудырады. Потенциалдар айырымын өсіргенде электрондардың қозғалуының орташа жылдамдығы да өседі, яғни электр тоғы пропорционалды түрде өседі. Электрондар атомдармен соқтығысқанда оларға энергия береді, ал бұл энергия жылу түрінде бөлінеді. Бұл эффект электр тогымен қыздыру немесе токтың жылулық әрекеті ретінде белгілі. Жоғарыда қарастырылған эффекттер - орын алатын материалдар ОМ өткізгіштері деп аталады. Омның ашқан заңы бойынша Омның өткізгіштері үшін келесі өрнек жазуға болады. Мұнда өрнектегі const-та – материалдың электр кедергісі (R-символымен белгіленеді). Егер кернеу вольтпен, ал ток ампермен өлшенсе, онда кедергі оммен өлшенеді. Электр кедергі тек қана омдық емес, қызу себебінен және кейбір басқа эффекттердің әсерінен бірқатар материалдарда қатынасы комплексті түрге айналады. Яғни кедергінің келесі түрлері болады: белсенді (омдық) кедергі; реактивті (сыйымдылықтық және индуктивтік) кедергі; комплексті (белсенді және реактивті құраушылардың векторлық қосындысы) 1.2 Электрондардың электр өрісі ішінде қозғалуы Егер вакуум ішінде екі тілік-пластиналар арасында потенциал бар болса, онда электрон олардың арасына кірген электронға потенциалы оң таңбалы тілікке бағыттайтын тартылыс күші әрекет етеді. 1.1 Сурет – Электрондар шоғының электр өрісі ішінде ауытқуы Тіліктерге түсірілген потенциалдар айырымын өзгере отырып, ауытқу бұрышын басқара аламыз. Бұл эффект электрондық сәуле түтікшелерде қолданылады. Электрондардың магнит өрісіндегі қозғалысы. Тәжірибеден келесі эффект болатынын білеміз. Магнит өрісі ток жүріп тұрған сымға әрекет етуші күштің пайда болуына әкеліп соғады, ал қозғалыстағы электрон – ол да электр тоғы, сондықтан бұл эффекттің әсерін қозғалатын электрондарға да бақылауға болады. Бұл күштің бағытын сол қол ережесі арқылы анықтаймыз. Электронға әрекет ететін күш осы электрон магнит өрісі векторына перпендикуляр бағытта қозғалғанда пайда болады. Бұл күш магнит өрісінің векторына тікбұрыш және электронның қозғалу бағытына да тікбұрыш жасайды. Міне, сондықтан, егер электрон магнит өрісінің бағытына параллель қозғалса, бұл күш әрекет етпейді. Электронның электр өрісіндегі қозғалысы мен магнит өрісіндегі қозғалысының арасында маңызды айырмашылық бар. Электр өрісінде әрекет етуші күштің бағыты өзгермейді, ал магнит өрісінде бұл күш әрдайым электронның қозғалу бағытына тікбұрышты жасалды. Яғни белгілі бір бағыттағы магнит өрісіне келіп түскен электрон осы магнит өрісінің векторының бойымен спиральді траекториямен қозғалады. Міне, осы эффект, TV-тоғыстаушы түтікшелердегі шарғыларда қолданылады. 1.3 Заттың құрылымы Зат келесі үш фазаларда (күйлерде) кездеседі: қатты, сұйық және газ түрінде. Суретте Ge немесе Si кристалының құрылымын келтіруге болады, яғни, моделін. Қоспалы шала өткізгіштер Таза күйінде Si және Ge диэлектриктік қасиеттерге ие, бірақ олардың өткізгіштігі аз мөлшерде (шамада) қоспаларды енгізсе, түпкілікті өзгереді. 1.2 Сурет Суретте Ge-дің (кристалл торының) моделі, оның бір атомын As (күшән) атомымен ауыстырылған. Міне, осыны As-атомды қоспа дейді. Күшәннің (As-тің) сыртқы орбитасында 5 электрон, сондықтан Ge-кристалына “тұрғанда” оның бір электроны еркін болып қалады. Бұл артық электрон өте қозғалғыш, сондықтан потенциалдар айырымы пайда болғанда, ток тасымалдаушы бола алады. Еркін электрондар санын, (мөлшерін) шала өткізгіш ішіне енгізілетін қоспа атомдар санымен өзгертіп бақылауға (тексеруге) болады. Қоспаларды шала өткізгіштерге енгізгенде еркін электрондар пайда болса бұл шала өткізгіш енгізілген қоспа “донор” деп аталады, ал шала өткізгішінің өзі “қоспалы шала өткізгіш” деп аталады. Донор қоспасы бар шала өткізгіштерде өткізгіштік еркін электрондармен сипатталады да, мұндай шала өткізгіштерді n-типті (negative) деп атайды. Егер шала өткізгіш–кристалл тор ішінде сыртқы қабаттарында үш электрон болатын, мысалы Бор, Индий атомдарын енгізетін болсақ, электронның жоқтығы кристалл ішінде кемтіктің пайда болуын келтіреді. Сырттан түсірілген кернеу мұндай шала өткізгіштерде электрондардың оң таңбалы түйіспеге, ал кемтіктердің теріс таңбалы түйіспе жағындағы қозғалысына келтіріледі. Кемтіктердің қозғалысын да ток ретінде қарастыруға болады. Шала өткізгіштерді р-типті (positive) деп, ал қоспаларды “акцепторлар” деп атауға келіскен. 1.3 Сурет – Шала өткізгіштерді р-типті (positive) – акцепторлар көрсетілген Жоғарыда қарастырылған негізгі заряд тасушылармен қатар (бұлар шала өткізгіш ішіне қоспаларды қосқанда пайда болады дедік) кәдімгі қыздыру әрекетінен пайда болатын еркін электрондар (оларды негізгі емес заряд тасушылар деп атайды) да токқа үлесін қосады. p-n ауысу Төмендегі Суретте көрсетілген құрылымның жартысы (оң жақтағы делік) n-типті қоспамен легирленген, ал екінші жартысы p-типті қоспамен. Р-n ауысудың шекарасында кемтіктер n-типті қабатқа, ал электрондар р-типтіге ұмтылады да, еркін тасушыларсыз аймақ пайда болғанға дейін, яғни тасушылар тепе-теңдігі орын алғанға дейін қозғалыста болады. Пайда болған еркін тасушыларсыз аймақ “кедейленген қабат” деп аталады да, диэлектриктер қасиеттерін сақтайды. p – типті n – типті Кедейленген қабат Зарядтың үлестірілуі 1.4 Сурет – Р-n ауысу Кедейленген қабаттағы зарядтың өсуі – бұл ішкі эффект, яғни p-n ауысудың шеттеріндегі потенциалдар айырымының өзгеруі бақыланбайды. Бірақ, егер, р-қабатқа оң потенциал, ал n-қабатқа – терісін (төмендегі Суретте көрсетілгендей) түсірсек, кемтіктер p-n ауысу арқылы р-қабаттан n-қабатқа қарай, ал электрондар n-қабаттанр-қабатқа ұмтылады. Ток пайда болады да, аспап іске қосылады. Егер р-қабатқа теріс таңбалы потенциал, ал n-қабатқа – оңын (төмендегі б)-Суретте көрсетілгендей) түсірсек, кейбір электрондар мен кемтіктер орын ауыстырады да, негізгі эффект ретінде кедейленген қабаттың ұлғаюы (кеңеюі) орын алады. Қысқа уақыт аралығында ток ағып (бұл ток шамасын p-n ауысуды конденсатор ретінде қарастырып, сыйымдылығы үлкен емес болғандықтан оның зарядталуына эквивалентті деп санауға болады), аспап ток өткізбей қалады. Шын мәнінде, негізгі емес тасушылардың беретін тоғы ағады, бірақ оның шамасы өте кішкентай болғандықтан, есепке алынбайды. |