контр1. teor ЭБТС. Лекция 1 Содержание Общие положение и понятия Основные радиокомпоненты электронных устройств

• Название: Лекция 1 Содержание Общие положение и понятия Основные радиокомпоненты электронных устройств
• Анкор: контр1
• Дата: 02.04.2023
• Размер: 0.89 Mb.
• Имя файла: teor ЭБТС.doc
• Тип: Лекция; #1031813
• страница: 1 из 5

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
“ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ“
Лекция №1

Содержание:

1. 
   Общие положение и понятия
   
2. 
   Основные радиокомпоненты электронных устройств
   

1.1ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Современные телекоммуникационные системы и сети представляют сложный комплекс разнообразных технических средств, обеспечивающих передачу различных сообщений на любые расстояния с заданными параметрами качества. Под техническими средствами в данном курсе понимаются изделия, оборудование, аппаратура и (или) их составные части, функционирующие на основании законов электротехники, радиотехники и (или) электроники и содержащие электронные компоненты и (или) схемы. Таким образом, под техническими средствами понимают совокупность устройств и элементов, образующих единое целое, в частности электронных устройств, а под элементной базой телекоммуникационных систем - совокупность радиокомпонентов электронных устройств (ЭС).

По признаку функциональной сложности различают несколько уровней ЭС:

- радиоэлектронный узел;

- радиоэлектронное устройство;

- радиоэлектронный комплекс;

- радиоэлектронная система.

Наименьшей сложностью отличаются функциональные радиоэлектронные узлы. Примеры: генераторы, модуляторы, усилители, детекторы, триггеры, логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. В их состав, в свою очередь, входят “строительные кирпичики” – электронные компоненты: транзисторы, полупроводниковые диоды, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые структуры и т.п.

Более сложными являются радиоэлектронные устройства, которые представляют собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции и реализующую функции передачи, приема и преобразования информации. Примеры: тракт СВЧ- или ВЧ- приемника, тракт НЧ, регистры, счетчики, дешифраторы, АЦП, ЦАП, сумматоры, микропроцессоры, микроконтроллеры и др.

И, наконец, самые сложные по выполняемым функциям – это радиоэлектронныекомплексы и системы. Примеры: радиоизмерительные комплексы, радиоуправляемые системы, системы наведения, системы слежения и др.

Основными компонентами электронных устройств являются резисторы, конденсаторы, индуктивности, элементы на основе p–n-перехода (диоды, светодиоды, варикапы, стабилитроны и др.) и транзисторы.

1.2. Пассивные радиокомпоненты и их применение

По классификации Европейской ассоциации промышленности пассивных компонентов (European Passive Components Industry Association – EPCIA) к пассивным электронным компонентам (ПЭК) относятся:

• 
  конденсаторы;
  
• 
  резисторы;
  
• 
  варисторы;
  
• 
  терморезисторы и датчики;
  
• 
  индуктивности, дроссели и трансформаторы;
  
• 
  фильтры электромагнитных помех;
  
• 
  высокочастотные фильтры.
  

Иногда к ПЭК относят также пьезоэлектрические компоненты, электронные соединители (разъемы), реле, переключатели. Однако чаще эти комплектующие включают в отдельную группу электромеханических компонентов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) ПЭК составляют немногим более 2% по стоимости, но примерно 70% – по количеству (а в некоторых устройствах – до 90–95%). Вопреки прогнозам, массовое внедрение БИС не привело к сокращению применения традиционных дискретных ПЭК. Относительное количество ПЭК в процентном отношении к общему числу компонентов на печатной плате в последние годы даже возросло вследствие увеличения числа каналов ввода/вывода в среднем электронном модуле. Кроме того, снижение рабочих напряжений новых интегральных схем и повышение рабочих частот также требует больше ПЭК для поддержания целостности сигнала.

Существует тенденция интеграции пассивных компонентов в кремниевые (полупроводниковые) чипы. Однако такая интеграция используется очень ограниченно из-за дороговизны кремния, а также из-за того, что слишком высокая степень интеграции снижает гибкость в применении компонентов, что нежелательно в условиях быстро меняющегося рынка. Кроме того, новые типы РЭА создают новые потребности в ПЭК гораздо быстрее, чем интегрируются старые функции.

Структура мирового спроса на электронные компоненты:

• 
  электромеханические – 15,2%;
  
• 
  печатные платы – 14,6%;
  
• 
  пассивные – 11,2%;
  
• 
  дисплеи и лампы – 9,1%;
  
• 
  полупроводниковые – 49,9%.
  

Вот некоторые примеры применения ПЭК в современной электронике:

• 
  в материнской плате современного настольного компьютера примерно 600 ПЭК (из них около 50% – многослойные керамические конденсаторы и почти 40% – резисторы). По мере перехода к новым типам процессоров количество ПЭК на материнской плате быстро увеличивается. Например, на материнских платах для процессоров Intel 80486 было в среднем 120 ПЭК, для процессора Pentium – 250 ПЭК, для Pentium-II – 340 ПЭК, Pentium-III – 440 ПЭК, Pentium-IV – 600 ПЭК, а для перспективных процессоров Pentium-V потребуется 800–1000 ПЭК;
  
• 
  на плате жесткого диска компьютера более 100 ПЭК (в основном, керамические конденсаторы и резисторы), в мониторе – почти 400 ПЭК, в модеме, в среднем, – 25 ПЭК; в портативном компьютере (ноутбуке) – не менее 800 ПЭК; в цветном телевизоре – примерно 400 ПЭК; в мобильных телефонах ПЭК составляют около 90% общего числа электронных компонентов, то есть 400–500 шт., в том числе около 250 конденсаторов (в основном многослойных керамических). Например, в мобильном телефоне Samsung SCH-E300 имеется 419 ПЭК, в том числе 226 многослойных керамических чип-конденсаторов, 161 резистор, 13 танталовых конденсаторов, 18 индуктивностей, 1 кварцевый резонатор.
  

Лекция №2
2 Полупроводниковые диоды

Содержание:

2.1 Общие положения

2.2 Выпрямительные диоды

2.3 Стабилитроны и стабисторы

2.4 Варикапы
2.1 Общие сведения

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один p–n-переход.

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам [2]:

• 
  по методу изготовления перехода диоды делятся на: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;
  
• 
  по материалу – на германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;
  
• 
  по физическим процессам, на которых основана работа диода – на туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;
  
• 
  по назначению диоды бывают: выпрямительные, детекторные, универсальные, импульсные, стабилитроны, параметрические, смесительные, СВЧ-диоды и др.
  

Однако основным признаком для классификации служит назначение прибора. Некоторые типы диодов с их основными характеристиками и условно-графическими обозначениями (УГО) в соответствии с ГОСТ 2.730-73 приведены в табл. 2.1.

В электрических схемах позиционное обозначение полупроводниковых диодов принято писать как VD₁, VD₂ и т.д.

Диоды – исторически первые полупроводниковые приборы. Экспериментально обнаруженный факт (О.В. Лосев, 1922 г.) – выпрямление слабых переменных сигналов при соприкосновении металлической иглы с кристаллами некоторых естественных минералов – стал основой их практического применения. Широкое внедрение полупроводниковых диодов в радиоэлектронику началось примерно с 1940 г., когда для целей радиолокации был впервые создан кристаллический детектор сантиметрового диапазона.
Таблица 2.1 - Основные типы полупроводниковых диодов

Наименование	УГО
Диод выпрямительный Общее обозначение
Диод Шоттки
Стабилитрон односторонний
Стабилитрон двухсторонний
Варикап

Светоизлучающие и фотоприемные диоды, а также оптроны будут рассмотрены в пункте 2.8.

Большинство диодов выполняют на основе несимметричных p–n-переходов. В этом случае в одной из областей концентрация примеси, определяющей тип проводимости, значительно больше, чем в другой области. Область с высокой концентрацией примеси называют эмиттером, и она имеет малое объемное сопротивление. Область с низкой концентрацией называют базой, и эта область имеет значительное объемное сопротивление. Область р является анодом, а область n катодом.Функцию эмиттера может выполнять как анод, так и катод диода, в зависимости от того, какая из областей (p или n) имеют большую концентрацию примеси.

2. 2. Выпрямительные диоды

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Низкочастотные служат для выпрямления напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц). В высокочастотных частота выпрямляемого напряжения составляет десятки кГц. Основой диода является обычный p–n-переход. В плоскостных диодах p–n-переход имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала [4].

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются (рис. 2.1):

• 
  максимальный прямой ток I_{ПР MAX};
  
• 
  падение напряжения U_ПРна диоде при заданном значении прямого тока I_ПР (или наоборот) (U_ПР  0,3–0,7 В для германиевых и U_ПР  0,8–1,2 В для кремниевых диодов);
  
• 
  максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода U_{ОБР MAX};
  
• 
  обратный ток I_ОБР при заданном обратном напряжении U_ОБР (значение обратного тока германиевых диодов на два-три порядка больше, чем у кремниевых);
  

Рис. 2.1. К определению параметров выпрямительных диодов

• 
  барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
  
• 
  диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
  
• 
  рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне
  

–60...+70°С, кремниевые – в диапазоне –60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Схема простейшего выпрямителя и его нагрузочной характеристики (при прямом постоянном смещении напряжения на диоде) имеют вид в соответствии с рис. 2.2 и 2.3. Схема состоит из генератора переменного напряжения, диода и последовательно включенного с диодом нагрузочного резистора. При этом напряжение генератора U_Г делится между нагрузочным сопротивлением и диодом
. (2.1)

Учитывая, что и ,

. (2.2)

Это есть уравнение нагрузочной прямой (рис. 2.2). ВАХ диода (прямая ветвь) имеет экспоненциальный вид. Очевидно, что ток, текущий в резисторе и диоде, должен быть одинаковым. Точка А на ВАХ, для которой выполняется это условие, называется рабочей точкой, а величина R₀ = U_Д/I_Д – сопротивлением цепи по постоянному току.

Рис. 2.2. Схема включения диода с нагрузкой

Рис. 2.3. К определению параметров схемы включения диода с нагрузкой

При работе с переменным сигналом (входное напряжение есть U_Г(t), а выходное – U_R(t)) в промежутки времени, когда к диоду приложено прямое напряжение (положительный полупериод), его сопротивление оказывается небольшим, и все входное напряжение практически будет падать на резисторе. Форма тока цепи будет повторять форму входного напряжения в соответствии с рис. 2.4.



Рис. 2.4. Схема включения диода на переменном токе и эпюры напряжений и токов
При отрицательном полупериоде диод смещен в обратном направлении, его сопротивление достаточно велико, ток в цепи практически становится равным обратному току диода, и большая часть входного напряжения упадет на диоде.

Для того чтобы из пульсирующего напряжения выделить постоянную составляющую, в схему выпрямления параллельно резистору включают конденсатор. Тогда выходное напряжение при положительном полупериоде станет определяться напряжением на емкости нагрузки C_Н и конденсатор при этом будет заряжаться током диода, а при отрицательном полупериоде – разряжаться. Величины C_Н иRподбирают таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось практически постоянным во времени.

При протекании больших прямых токов I_ПР и определенном падении напряжения на диоде U_ПР в нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры p–n-перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушного или даже жидкостного).

Среди выпрямительных диодов следует особо выделить диод с барьером Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродействием и малым падением напряжения (U_ПР < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3 А, от 0,3 А до 10 А и свыше 10 А соответственно.

Для работы с высокими напряжениями (до 1500 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные p–n-переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие

I_{ПР MAX} до 1 А и U_{ОБР MAX} до 600 В.

2.3. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рис. 2.5), т.е. с большим значением крутизны I/U (I = I_{СТ MAX} – I_{СТ MIX}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТ соответствует напряжению электрического (лавинного) пробоя p–n-перехода при некотором заданном токе стабилизации I_СТ (рис. 2.5). Возможности получения стабильного напряжения характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона r_Д = U/I, которое должно быть как можно меньше [2,4].

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации U_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизации I_{СТ MIN}, т.е. минимальный ток, соответствующий устойчивому пробою, и I_CTMAX, определяемый предельно допустимой рассеиваемой мощностью, дифференциальное сопротивление r_Д, а так же температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKU) – относительное изменение напряжения стабилизации ΔU_СТ при изменении температуры корпуса прибора на 1 ^оС.



Рис. 2.5. К определению параметров стабилитронов
Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_СТ от 1,5 до 180 В, I_СТ от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p–n-переходы.

Для стабилизации напряжения стабилитрон используют согласно схеме, представленной на рис. 2.6.



Рис. 2.6. Схема включения стабилитрона