Метрология. все ответы к теории-1. На входе линии связи называют входным сигналом, или воздействием, а сигнал
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
18. Силовые приборы. Тиристоры и биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). принцип работы, ВАХ, параметры и назначение. К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим малые потери при коммутации большая скорость переключения из одного состояния в другое малое потребление по цепи управления большой коммутируемый токи высокое рабочее напряжение. Тиристоры — это полупроводниковые приборы стремя и более р-п-переходами. Они предназначены, для использования в качестве электронных ключей в схемах коммутации больших по величине токов при сравнительно невысоком быстродействие. В зависимости от вида ВАХ и способа управления тиристоры делят на диодные и триодные. Диодные тиристоры имеют два выводы – анод и катод. В зависимости от способа управления включения или выключения тока, они бывают запираемые в обратном направлении (1), проводящие в обратном направлении (2) и симметричные (3). Последние представляют собой встречно- последовательное соединение тиристоров, запираемых в обратном направлении. Они способны пропускать ток как в прямом, а также в обратном направлении. Они имеют два вывода, которые называются анод 1, и анод 2. Триодные тиристоры называют просто – тиристорами. Они имеют три вывода. Появляется третий управляющий электрод (УЭ). Напряжение, подаваемое на него, позволяет управлять включением выключением) тиристора. Триодные тиристоры подразделяют на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду (4) и по катоду (5); проводящие в обратном направлении с управлением по аноду (6) и по катоду (7); симметричные (двунаправленные. Структура тиристора, ВАХ и принцип работы Простейший диодный тиристор имеет четырехслойную р-п-р-п-структуру (рис.А б, изготовленную из кремния. Область р, на которую подают положительное напряжение от источника напряжения Еа называется – анодом, область п – катодом, а области пир базами. Между р и п областями возникают р-п- переходы П, П, П. Переходы Пи П называются эмиттерными, переход П – коллекторным т.к. он смещен в обратном направлении. Аналогом тиристора может служить схема (рис. А а) из двух биполярных транзисторов VT1 – р-п-р-типа и VT2 - п-р-п-типа. Вольт-амперная характеристика динистора приведен на рис. Ав. На ней можно выделить четыре участка. Участок – 1. На аноде положительное напряжение. Переходы Пи П смещены в прямом направлении, а переход П – в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к КП. Ток коллекторного перехода I кп – это малый по величине ток неосновных носителей заряда. Он является суммой токов, вызванных инжекцией через эмиттерные переходы Пи Пи небольшого собственной обратного тока перехода П I кп = 1 I э1 + э +ко, где 1 и 2 – коэффициенты инжекции тока эмиттерных переходов Пи П. Очевидно, что I кп =I э1 =I э2 = I а т.к. это элементы одной злектрической ветви, а потому I а =I/ко (1-( 1 + 2 )) Пока напряжение между анодом и катодом относительно мало 1 + 2 1, I кп = к сопротивление прибора велико (до сотен килоом). Таккак коэффициенты передачи тока эмиттерных переходов Пи Пи) с увеличением Uак растут. Следовательно, растет и ток I а Участок 2. При определенном значении напряжения Uак, называемом напряжением включения Uвкл, 1 + 2 =1. Ток в соответствии с (6.4) должен стремиться к бесконечности. Начинается лавинообразное увеличение токов. Транзисторы переходят в режим полного насыщения. Сопротивление прибора при этом падает до единиц ом. Но наличие вцепи анода резистора с сопротивлением а- ограничивает ток на уровни Е а /R а .. Участок 3, соответствует ВАХ диода в отрытом состоянии. Это проводящее состояние динистора. I а Еа /R. Участок 4. Переходы Пи П смещены в обратном направлении. Ток динистора мал. Это запертое те. непроводящее ток, состояние динистора. При достаточно больших обратных напряжениях, обратный ток динистора резко возрастает – это тепловой пробой. В основном за процесс включения динистора отвечает переход Пи процессы в области р. Обычно выполняется условие 2 1 . Это достигается конструкцией – W n1 W p2 , где W n1 W p2 – толщина базы n1 и p2. Тирстор имеет дополнительный – управляющий электрод. Если, используя управляющий электрод, с помощью внешнего источника напряжения или тока вцепи эмиттерного перехода П обеспечить протекание тока, то это вызовет увеличение 2 и сумма 1 + 2 приблизится к единице при меньшем напряжении Uак, чем при отсутствии тока вцепи управляющего электрода. Следовательно, изменяя ток управляющего электрода, I уэ можноа изменять U вкл . После открывания тиристора ток I уэ может быть уменьшен до нуля, но прибор останется во включенном состоянии. Чтобы выключить прибор, надо прервать или значительно уменьшить на определенное время проходящий через, него ток – условие выключения тиристора I а I уд 19. Оптоэлектронные приборы. Светоизлучающие, фотоприемники и оптроны и каналы связи световоды. Оптоэлектронные приборы предназначены для приема, излучения и преобразования сигналов электромагнитных волн оптического диапазона. светоизлучающие (электросветовые); 2.светопринимающие (фотоэлектрические - фотоприемники оптроны. Основные достоинства оптоэлектронных систем передачи информации по сравнению с электронными 1. полная гальваническая развязка между входом и выходом 2. широкая полоса пропускания (10 13 - 10 Гц 3. легкое согласование устройсвами с разным входными выходным сопротивлением 4. поскольку носителими света являются электрически нейтральные фотоны, тов таких цепях отсутствуют электромагнитные помехи и наводки. Фотоприемные устройства Фотоприемные устройства предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В основу работы фотоприемников положны следующие физические явления 1. внутренний фотоэффект – изменение электропроводности вещества при его освещении 2. фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света 3. внешний фотоэффект или фотоэлектрическая эмиссия – испускание веществом электронов под действием света. 7.2.1. Светоизлучающие диоды Это приборы на основе перехода. Они относятся к электролюминесцентным источникам света, их называют инжекционными светодиодами или просто светоизлучающими диодами (СИД) – они представляют собой переход, свечение в котором возникает при протекании прямого тока. Протекании прямого тока сопровождается инжекцией неосновных носителей заряда в базу с последующей их рекомбинацией. При рекомбинации электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону, что сопровождается выделением энергии. В определенных материалах, такой переход сопровождается выделением кванта света. Цвет излучения зависит от материала примесей те. Е. Основные характеристики и параметры светодиода 1) Вольтамперные характеристики номинальный ток, I пр.ном ., постоянное прямое напряжение. 2) Яркостная характеристика - зависимость яркости оттока. Максимально излучаемая мощность,P изл.макс Светодиоды широко используют в качестве индикаторов в устройствах отображения информации, а также в качестве источников 7.2 Светоизлучающие приборы Светоизлучающие приборы используются как управляемые источники света или как индикаторные устройства отображения информации. Все источники света можно разделить на активные и пассивные. Активные - сами создают световой потока пассивные можно использовать только в режиме внешней подсветки. В основе работы всех излучателей света лежат следующие физические явления температурное свечение – свечение нагретого тела (накальные индикаторы излучение, сопровождающее газовый разряд в газах (газоразрядные индикаторы электролюминесценция – это световое излучение, возникающее при воздействии электрического поля или тока индуцированное излучение. 7.3. Оптроны Это полупроводниковые приборы, состоящие из заключенного в один корпус светоизлучающего прибора и фотоприемника, между которыми, обычно, существует прямая оптическая связь. Входной электрический сигнал подводится к излучателю и преобразуется им в световой, он через оптическую среду воздействует на фотоприемники преобразуется им вновь в электрический. Смысл этого преобразования состоит в том, что входная и выходная цепи электрически полностью развязаны, а оптическая связь существует только в прямом направлении от входа к выходу. Основное назначение оптронов – гальваническая развязка электрических цепей между, которыми должна существовать связь для передачи информации. В простейшем оптроне излучателем является лампочка накаливания, но обычно это инжекционный светодиод, что позволяет обеспечить высокое быстродействие оптронов. Разновидности оптронов и их условно графические обозначения приведены на рисунке : диод- резисторный оптрона диод-диодный оптрон (б диод-транзисторный (в диод-тиристорный оптрон (г. В диод-диодных оптронах излучателем является светодиод из арсенида галлия оптрона фотоприемником кремниевый фотодиод. Диод-транзисторные оптроны благодаря большей чувствительности фотоприемника экономичнее диодных, однако их частота коммутации не превышает 10 Гц. Диод-тиристорные оптроны благодаря фототиристору позволяют коммутировать токи до А при входном, управляющем, токе менее мА и времени включении сек. Аналоговые оптроны обычно реализуют на основе фоторезисторов и применяют для различных бесконтактных регулировок. Быстродействие резисторных оптронов невелико, не превышает 10 кГц. 7.4 Световоды Световоды это оптические волокна – среда распространения оптического излучения. Они находят широкое распространение в оптоволоконных каналах связи. Их главным достоинством является отсутствие помех вызванных электромагнитным воздействием. Распространение света в световоде достигается использованием материалов с разным коэффициентом преломления n (n 1 >n 2 ). Коэффициент преломления материала сердцевины больше коэффициента преломления материала оболочки. Этим достигается полное внутреннее отражение и распространение света вдоль волокна. Основные параметры световодов широкополосность: малые потери (0,15дБ/км); малый диаметр малая масса отсутствие интерференции, (те. отсутствие перекрестных помех безиндуктивность, отсутствие влияния электромагнитной индукции высокая коррозионная стойкость высокая элластичность (минимальный радиус изгиба примерно 2 мм) 20. Классификация интегральных схем (ИС) по степени интеграции, назначению и технологии изготовления. Маркировка. Базовые технологические операции при создании ИС: легирование, литография, эпитаксия, травления и т.д. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем - малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле, - средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле, - большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле, - сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле. Технология изготовления Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксида гафния. -Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок: Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус. Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. Назначение Аналоговые схемы Цифровые схемы -Аналого-цифровые схемы Маркировка Система маркировки ИС определяет их технологическую разновидность, функциональное назначение и принадлежность к определенной серии. Условное обозначение ИС, в основном, состоит из пяти элементов 1 элемент - буква, указывает на область применения микросхемы в бытовой или промышленной аппаратуре 2 элемент - цифра, показывающая вид конструктивно-технологического исполнения (1, 5, 6, 7 — полупроводниковые, 2, 4, 8 — гибридные, 3 — прочие 3 элемент - порядковый номер разработки серии (2 или 3 цифры 4 элемент - функциональное назначение (две буквы, табл. 2.6); 5 элемент - порядковый номер разработки по функциональному признаку (цифра. В конце условного обозначения может стоять буква, которая характеризует особенности микросхемы. Первый элемент, буква, перед обозначением микросхемы может отсутствовать. Если первый элемент буква Кто это говорит о том, что микросхема предназначена для аппаратуры широкого применения. Базовые технологические операции при создании ИС: - Подготовка пластин кремния - процесс выращивания кремния происходит в инертной атмосфере или в вакууме - Легирование - осуществляется введением определенного количества примесей в расплав - Эпитаксия - процесс выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла - Литография - процесс формирования отверстий в масках, применяемых для локального травления - Травление. Для формирования топологии схемы необходимо перевести рисунки резиста в соответствующие слои полупроводниковой структуры. Один из методов такого перевода заключается в селективном удалении немаскированных участков резиста. Этот процесс называют травлением. Активные и пассивные элементы ИС. Способы изоляции элементов в полупроводниковых ИС Активных элементы - транзисторы, диоды, пассивные элементы - резисторы, конденсаторы. Методы изоляции можно разделить натри группы - изоляция обратно-смещенным p‑n переходом ‑ изоляция диэлектриком ‑ изопланарный метод, являющийся комбинированным методом По сравнению с изоляцией обратно смещённым p‑n переходом диэлектрическая изоляция позволяет снизить ёмкость между элементами ИС и подложки, на порядок снизить ток утечки изоляции. В связи с этим улучшаются их частотные характеристики. Кроме того, ИМС с диэлектрической изоляцией имеют более высокое пробивное напряжение и лучшую стойкость к радиации. Недостаток диэлектрической изоляции - плохой теплоотвод из-за низкой теплопроводности изолирующего слоя. Комбинированные способы изоляции. В этих методах совмещаются методы изоляции обратно смещённым переходом и изоляции диэлектриком. Изопланарный процесс применяется в основном для изоляции элементов ИС при изготовлении интегральных микросхем памяти. В настоящее время самым распространенным комбинированным методом является так называемая изопланарная технология - в основе процесса лежит локальное сквозное окисление тонкого эпитаксиального слоя кремния n‑ типа со скрытым слоем типа, выращенного на подложке типа проводимости. 23. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в режиме малого сигнала. Схема с ОБ, ОЭ, ОК. Усилительный каскад с RC- связью. Расчет основных параметров каскада. Анализ усилительных каскадов при различных схемах включения БТ. 1. Схема с ОБ. 1. э б э эm б кm б э э эm эбm вх r r r J r J r r J J U R ) 1 ( ) ( 2. эm кm у J J K 3. э к вх эm к кm бэm кэm u r R R J R J U U K 4. к к к к к к к вых R R r R r R r R || 2. Схема с ОЭ. 1. э б бm э бm э бm б бm бm бэm вх r H r J r J J J r J J U R ) ( 2. бm кm у J J K 3. э к э к бm э к бm бэm кэm u r R r R J r R J U U K 1 ) 1 ( 4. к к к к к к к вых R R r R r R r R * * * || Схема с ОК. Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмиттерный повторитель имеет следующие параметры 1)R вх - высокое 4)K J >1 2)R вых малое 5)K p =K U K J >1 3)K u ≤1 1. R r R R r r J r R J R r r J J U R б ВХ ВХ ) ( ) ( ) ( ) ( 2. 1 б Э J J J K 3. 1 ) 1 ( вх б Э бm u R J R J K 4. ) 1 ( Э ВЫХ R R При анализе работы транзистора в режиме большого сигнала для расчета коэффициента усиления пользуются графоаналитическим методом. Считаем, что рабочая точка выбрана на середине рабочего участка и задана током базы в рабочей точке. Усилитель с RC связью Принципиальная схема усилителя с RC связью имеет вид R 1 ,R 2 – резистивный делитель цепи Б, задает РТ. Э – эмиттерное сопротивление, служит для температурной стабилизации РТ. R k – сопротивление коллекторной цепи, на нем выдается усиленный переменный сигнал. н – сопротивление нагрузки C p – разделительная ёмкость, Э – конденсатор эмиттерной цепи, устраняет отрицательную обратную связь, создаваемую э, в рабочем диапазоне частот С ф – конденсатор фильтра ЧП, Эквивалентная схема одиночного усилительного каскада Анализ работы усилителя удобно проводить перейдя к его эквивалентной схеме попеременному току. При нарисовании этой схемы предполагалось 1) Т.к. X сэ ->0, то э отсутствует. 2) Т.к. Х сф ->0, то + и – Е п имеют одинаковый потенциал. 3) Транзистор заменен эквивалентной схемой в системе h параметров. 4) Источник сигнала заменен соответствующим источником ЭДС с г) В схему добавлена C 0 =C кэ +С н +С сл.каск – паразитная емкость Т.к. в эквивалентной схеме имеются конденсаторы, то очевидно, что коэффициент усиления зависит от частоты, при этом C p >>C 0 , те. весь диапазон частот можно разбить натри участка Область средних частот, где C p и C 0 можно пренебречь. Коэффициент усиления не зависит от частоты. Область низких частот, в ней необходимо учитывать C p , из-за нее происходит уменьшение |