Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ» КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С. В. Ситникова, А. А. Кузьменко ЭЛЕКТРОНИКА Учебное пособие к выполнению лабораторных работ Самара, 2023 УДК ББК С 621.38 32.852 41 Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ, протокол №__ от 7.02.2023 С41 Ситникова, С. В. Электроника. Учебное пособие к выполнению лабораторных работ [текст] : /С. В. Ситникова, А. А. Кузьменко – Самара: ПГУТИ, 2023. – 100 с. Учебное пособие по циклу дисциплин «Электроника» разработано в соответствии с ФГОС ВО и предназначено для организации лабораторного практикума и самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлениям (специальностям) и профилям подготовки бакалавров и специалистов: 09.03.01 – Информатика и вычислительная техника; 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи; 12.03.03 – Фотоника и оптоинформатика; 10.03.01 – Информационная безопасность; 10.05.02 – Информационная безопасность телекоммуникационных систем; 11.03.01- Радиотехника; 11.05.01– Радиоэлектронные системы и комплексы; 27.03.04 – Управление и информатика в технических системах. К дисциплинам цикла «Электроника» относятся: «Электроника и микропроцессорная техника» (12.03.03); «Электроника» (27.03.04, 09.03.01); «Электроника и схемотехника» (10.05.02, 10.03.01, 11.03.02); «Материалы и компоненты электронной техники» (11.03.01, 11.05.01). Для организации аудиторных занятий пособие содержит методические указания по исследованию электронных приборов в программе Qucs и краткие теоретические сведения, которые включают в себя расчетные соотношения, необходимые для выполнения заданий. Для организации самостоятельной работы студентов пособие содержит список рекомендуемой литературы и список контрольных вопросов для подготовки к итоговому контролю. ©, Ситникова С. В., Кузьменко А.А. 2023 ©, «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ 1 ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРОНИКА» …………………. 1 Цели и задачи изучения дисциплины……………………........... 2 Объем дисциплины и виды учебной работы…………………… 3 Список рекомендованной литературы………………………….. 4 Критерии оценки формирования компетенций по результатам выполнения лабораторных работ……….................... 5 Содержание разделов дисциплины……………………….......... 2 ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ…………………………………... 1 Исследование характеристик и параметров диодов………………………………………………………………………... 2 Исследование характеристик и параметров биполярных транзисторов………………………………………………………………. 3 Исследование характеристик и параметров полевых транзисторов ……………………………………………………........................ 4 Исследование операционного усилителя………………………. 5 Изучение вопросов конструирования ИМС……………………. 6 Синтез цифровых устройств на основе ЛЭ…………………....... 3 4 4 5 5 6 7 9 9 32 58 67 76 87 1 ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРОНИКА» 1 Цели и задачи изучения дисциплины Целью преподавания дисциплины «Электроника» является ознакомление с элементной и конструктивной базой современной электроники и освоение основ схемотехники радиотехнических устройств. Задачами дисциплины является изучение: устройства основных типов активных элементов (электронных приборов), их характеристик и параметров; физических процессов, в них протекающих; принципов построения и основ технологии изготовления изделий электронной и микроэлектронной техники; влияния условий эксплуатации на работу дискретных и интегральных элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА); правил построения функциональных и принципиальных электрических схем цифровых радиотехнических устройств, осуществляющих преобразование электрических сигналов; основ проектирования цифровых устройств в соответствии с техническим заданием. В результате изучения дисциплины студенты должны: – иметь представление о тенденциях развития электроники, элементной и технологической базы радиотехники и влиянии этого развития на выбор перспективных технических решений; – знать назначение, области применения и физические эффекты и процессы, лежащие в основе принципов действия полупроводниковых и оптоэлектронных приборов; методы и средства проведения экспериментальных исследований; основы анализа, расчета электронных приборов и комплексов; существующие пакеты прикладных программ (ППП) для схемотехнического моделирования устройств; – уметь подбирать электрические приборы и оборудование с определенными параметрами и характеристиками; проводить анализ физических процессов, происходящих в электронных устройствах; осуществлять компьютерное моделирование устройств и процессов, протекающих в них; экспериментально и с использованием средств ВТ определять параметры электронных приборов, анализировать достоверность полученных результатов; проводить экспериментальные исследования, выбирать способы и средства измерений; использовать электронные приборы для построения базовых ячеек радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), работать с технической литературой, справочниками, ГОСТами и технической документацией; – владеть: навыками инструментальных измерений, компьютерного проектирования и расчета аналоговых, цифровых и микропроцессорных телекоммуникационных устройств с целью создания новых 4 перспективных средств электросвязи и информатики; навыками обработки экспериментальных данных с использованием универсальных ППП; навыками работы с источниками информации; способами обработки и представления полученных данных; методикой использования программных средств для решения практических задач. 2 Объем дисциплины и виды учебной работы Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зач. ед., 108 часов. № семестра Всего Вид учебной работы часов 4(5) Общая трудоемкость дисциплины 108 108 Контактная работа (Аудиторные 50 50 занятия (Ауд)) Лекции (ЛК) 22 22 Практические занятия (ПЗ) 14 14 Лабораторные работы (ЛР) 14 14 Самостоятельная работа (СР) 58 58 Форма контроля Зачёт 3 Список рекомендованной литературы 3.1 Основная литература 1. Ситникова, С. В. Электроника [Электронный ресурс] : конспект лекций / С. В. Ситникова ; ПГУТИ, Каф. РЭС. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 2,69 Мб). - Самара: ПГУТИ, 2018. – Загл. с титул. экрана. - Режим доступа: http://elib.psuti.ru/ Sitnikova_elektronika_ konspekt_lekciy_2018.pdf. 3.2 Дополнительная литература 1. Пасынков, В. В. Полупроводниковые приборы [Текст]: учебное пособие для вузов/ В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин.- 9-е изд., стер. СПб: Лань, 2009.- 480 с. 2. Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника [Текст] : учеб. пособие для вузов / К. С. Петров. - СПб: Питер, 2006. 511 с. 3.3 Интернет-ресурсы 1. http://www.intuit.ru/studies/courses/104/104/info – введение в цифровую схемотехнику 5 2. http://www.intuit.ru/studies/courses/588/444/info – введение в цифровую электронику 3. http://www.intuit.ru/studies/courses/12180/1173/info – наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков 4. http://elib.oreluniver.ru/media/attach/note/2012/osnovielektrotech_ elektroniki.pdf– основы электротехники и электроники. Учебник 5. https://vk.com/cxem_net_payalnik 6. http://www.compel.ru/catalog/ – каталог электронных приборов 7. https://www.tinkercad.com/ – 3D-моделирование 8. https://www.rlocman.ru –портал и журнал по электронике 9. http://www.radioliga.com/ – журнал «Радиолюбитель» 10. https://www.electronics.ru/– журнал «Электроника. Наука. Технология. Бизнес» 11. https://kit-e.ru/– журнал «Компоненты и технологии» 12. http://ivuz-e.ru/– журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 13. https://www.soel.ru/ – журнал «Современная электроника» 4 Критерии оценки формирования компетенций по результатам выполнения лабораторных работ К зачету допускаются студенты: – выполнившие все задания лабораторных работ, указанные преподавателем; – оформившие письменный отчет в соответствии с требованиями РД ПГУТИ; – защитившие все лабораторные работы. Защита отчета по лабораторной работе представляет собой либо устные ответы обучающегося на вопросы преподавателя (контрольные вопросы по теории или результатам выполнения лабораторной работы), либо прохождение тестирования по определенной теме. Оценивание итогов лабораторной работы проводится по следующим критериям: «зачтено» - обучающийся знает методы и средства проведения экспериментальных исследований; существующие пакеты прикладных программ (ППП) для схемотехнического моделирования устройств; теоретические сведения по тематике лабораторных работ; умеет осуществлять компьютерное моделирование устройств и процессов, протекающих в них; выбирать способы и средства измерений и проводить экспериментальные исследования, использовать электронные приборы 6 для построения базовых ячеек радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), экспериментально определять основные характеристики и параметры широко применяемых компонентов и приборов, работать с технической литературой, справочниками; анализировать полученные результаты; владеет: навыками инструментальных измерений, компьютерного проектирования; навыками обработки экспериментальных данных с использованием универсальных ППП; навыками работы с источниками информации. Твердо знает теоретический материал, грамотно его излагает, не допускает существенных неточностей в ответ на вопросы, правильно применяет теоретические положения. Элементы компетенций сформированы на достаточном уровне; «не зачтено» - обучающийся не знает значительной части программного материала, испытывает затруднения с выполнением лабораторных работ, допускает грубые ошибки в ответе на поставленные вопросы. Элементы компетенций не сформированы. № п/п 1 2 3 4 5. Содержание разделов дисциплины Содержание раздела Физические эффекты и процессы, лежащие в основе принципов действия полупроводниковых и оптоэлектронных приборов. Материалы электронной техники. Зонная теория твердых тел. Собственные и примесные полупроводники. Виды электрических переходов: гетеропереходы, контакт металлполупроводник, электронно-дырочный переход. Виды пробоев; туннельный эффект; фотоэлектрические явления. Диоды. Разновидности полупроводниковых диодов: выпрямительные, импульсные, обращенные и туннельные диоды, варикапы, стабилитроны, стабисторы, диоды Шоттки. Принцип действия, особенности конструкций, параметров, характеристик и моделей. Влияние внешних условий на параметры и характеристики. Биполярные транзисторы. Структура и принцип действия биполярного транзистора (БПТ). Режимы работы. Схемы включения. Статические характеристики БПТ. Основные параметры. Влияние внешних факторов на характеристики и параметры БПТ. Работа БПТ в ключевом и усилительном режимах. Полевые транзисторы. Виды полевых транзисторов (ПТ). Устройство (структура) и принцип действия. Основные параметры и их зависимости от температуры. Статические характеристики в схеме с общим истоком. Работа ПТ в усилительном и ключевом режимах. 7 № п/п 5 6 7 8 9 10 Содержание раздела Тиристоры. Виды, особенности конструкций, параметров, характеристик; принцип работы; особенности применения. Оптоэлектронные приборы. Классификация. Излучатели когерентные и некогерентные. Фотоприемники. Оптопары. Оптические волноводы. УГО, основные параметры и характеристики, принцип действия. Основы микроэлектроники. Классификация интегральных микросхем (ИМС) по конструктивно–технологическому исполнению, по степени интеграции, по функциональному назначению. Базовые физико-химические процессы создания полупроводниковых микроэлектронных структур: литография, эпитаксия, легирование, травление и т.д. Изоляция элементов. Формирование структур полупроводниковых ИМС. Характеристика гибридных ИМС. Аналоговые микросхемы. Усилители Классификация. Усилители, повторители тока и напряжения на БТ и ПТ. Дифференциальный усилитель. Операционный усилитель (ОУ), структурная и принципиальная схема, принцип действия; основные параметры и характеристики. Обратная связь в усилителях. Схемы на ОУ. Цифровые микросхемы. Основные характеристики и параметры цифровых микросхем. Логические функции и их преобразование. Принцип действия логических ДТЛ–, ТТЛ–, ЭСЛ– элементов, логических схем на МДП и КМОП–транзисторах. Сравнительная характеристика. Классификация триггеров. Принцип работы триггеров основных типов (RS–, JK–, D–, T– триггеры). Счетчики. Регистры. Шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов. Мультиплексоры и демультиплексоры. Сумматоры. Компараторы. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). АЦП и ЦАП. Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ и пр.). Микроконтроллеры. Перспективные направления развития электроники. Функциональная электроника (акустоэлектроника, магнитоэлектроника и т.д.). Наноэлектроника. Одноэлектроника. Вакуумная микроэлектроника. Печатная и гибкая электроника и т.д. 8 2 ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Лабораторная работа 1 Исследование характеристик и параметров диодов Цель работы: исследовать характеристики диодов, выполненных на различных электрических переходах. Получить навыки определения основных параметров диодов графо–аналитическим методом. Краткие теоретические сведения Отдельные собственные или примесные полупроводники для изготовления электронных приборов применяются редко, в основном используются электрические переходы: электронно–дырочный (р–n–переход) – переход в полупроводнике между областями с различными типами электропроводности; гетеропереход (переход между двумя различными по химическому составу полупроводниками); переход между металлом и полупроводником, который может быть выпрямляющим (переход Шоттки) или невыпрямляющим (омический контакт). Выпрямляющим переходом называется такая структура, которая пропускает ток в прямом включении и практически не пропускает его в обратном, т.е. обладает односторонней проводимостью (вентильными свойствами). Параметры выпрямительных (импульсных) диодов зависят от концентрации примесей, температуры и ширины запрещенной зоны ∆W исходного полупроводника. Если же величина тока, протекающего в переходе, не зависит от направления включения, то такой переход называется омическим (невыпрямляющим). Например, обычный диод на основе p–n–перехода содержит кроме одного выпрямительного перехода два омических (контакт для подключения к электрической цепи). В омическом (невыпрямляющем) контакте «металлполупроводник» приконтактный слой полупроводника обогащен основными носителями и обладает меньшим удельным сопротивлением, по сравнению с областью полупроводника, удаленной от контакта. Работа выхода электрона из металла Wм и работа выхода из полупроводника р–типа (n–типа) Wр (Wn) соотносятся как Wм > Wp., Wм < Wn . В выпрямляющем контакте «металл-полупроводник» (переход Шоттки) работа выхода электрона из металла Wм и работа выхода из полупроводника р–типа Wр соотносятся Wм < Wp, в этом случае электроны с большей вероятностью будут переходить из металла в полупроводник. Это приводит к образованию в полупроводнике обедненного основными носителями слоя (или даже инверсного, если 9 Wм<<Wр). При использовании полупроводника n–типа должно выполняться следующее соотношение работ выхода Wм > Wn или Wм >> Wn. Приборы на основе перехода Шоттки отличаются от приборов с p–n–переходом более низким прямым напряжением, лучшими динамическими свойствами (их можно использовать на более высоких частотах, т.к. паразитные ёмкости (диффузионная и барьерная) намного меньше). Недостатком диодов Шоттки является наличие более высокого тока экстракции. а b с d Рис. 1.1- УГО выпрямительного (импульсного) диода (a), диода Шоттки (b), стабилитрона (стабистора) (c), излучающего диода (СИД, ИКД) (d) Резкое увеличение обратного тока при некотором обратном напряжении, в результате чего теряется свойство односторонней проводимости р–n–перехода, называется пробоем. Различают тепловой пробой (необратимый, приводит к разрушению перехода) и два вида электрических пробоев: туннельный и лавинный (обратимые). В режиме электрического пробоя p–n–переход используется в стабилитронах – приборах, предназначенных для стабилизации обратного напряжения. Их делают только из кремния, т.к. у приборов на основе германия тепловой пробой наступает раньше, чем электрический. Величина напряжения стабилизации стабилитронов определяется концентрацией примесей. Стабилитроны с напряжением стабилизации Uст от 1,5 В до 6 В работают в режиме туннельного пробоя, обусловленного туннельным эффектом, который возможен в полупроводниках с высокой концентрацией примесей (так называемых вырожденных полупроводниках) и, как следствие, с малой толщиной перехода, при этом электроны, не изменяя своей энергии, могут проходить сквозь потенциальный барьер, а не над ним (как это происходит в низколегированных переходах). Стабилитроны с напряжением стабилизации Uст от 6 В до 400 В производят из слаболегированного восокоомного кремния. Они работают в режиме лавинного пробоя, в основе которого лежит эффект размножения носителей заряда в сильном электрическом поле. Основными параметрами стабилитронов являются: 10 напряжение стабилизации Uст – значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации Iст; температурный коэффициент напряжения стабилизации ст (ТКНС): I пр, мА α<0 КС113 1 U ст . (1.1) ст U ст Т I const ст Uобр, B Uст РТ В α<0 А α>0 Здесь ΔUст – изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на величину ΔТ при постоянном токе стабилизации Iст. С увеличением температуры окружающей среды абсолютное значение напряжения при тепловом и туннельном пробоях р–n–перехода уменьшится ( ст < 0), а при лавинном – увеличится Uпр, B 0.6 Iст мin Iст Iст мах I обр, мА ΔUст Тепловой пробой КС133 Рис. 1.2 - Вольт–амперные характеристики стабилитрона КС133 и стабистора КС113 ( ст > 0); дифференциальное сопротивление стабилитрона r, которое определяется отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока (рис. 1.1): r U B U A dU ст U ст , Ом . dI ст I ст IB I A (1.2) Оно позволяет судить о качестве стабилитрона: чем меньше дифференциальное сопротивление, тем качество выше; минимальный ток стабилизации Iст min – ток, при котором стабилизация еще не удовлетворительна; максимальный ток стабилизации Iст max определяется допустимой для данного прибора мощностью рассеяния Рmax и необходимостью обеспечения заданной надежности работы прибора, т. е. зависит от площади p–n–перехода и от конструкции прибора. Если превысить данный предельно допустимый параметр стабилитрона, то электрический пробой перейдет в тепловой и прибор выйдет из строя. P I ст max max ; (1.3) U ст Стабистор – прибор, предназначенный для стабилизации прямого напряжения. Его делают из низкоомного кремния; напряжение стабилизации не превышает 0,7 В. Стабисторы имеют отрицательный 11 ТКНС. Их используют для температурной компенсации стабилитронов с положительным ТКНС. Для этого последовательно со стабилитроном соединяют один или несколько стабисторов. Излучение светодиодов (СИД, LED) и инфракрасных диодов (ИКД) (рис.1.1–d) вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий переход (p–n– или гетеропереход). Рекомбинация носителей заряда может происходить как в самом переходе, так и в прилегающих к переходу областях структуры. Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны ∆W исходного полупроводника должна быть более 1,7 эВ. При меньшей ширине запрещенной зоны кванты энергии, освобождающихся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют ИК - области излучения. Таким образом, разница между СИД и ИКД заключается только в отличии исходного полупроводникового материала. Порядок выполнения работы 1.1.1 Исследование вольт–амперных характеристик диодов в прямом включении В программе схемотехнического моделирования QUCS выполнение данной работы возможно несколькими путями, которые будут рассмотрены дальше. Всего можно выделить 3 варианта выполнения работы: Без использования вольтметра, с последовательной заменой номинала источника тока; С использованием вольтметра, с последовательной заменой номинала источника тока; С использованием вольтметра, с моделированием всего диапазона исследуемых величин токов источника постоянного тока. Рис. 1.3 – Выбор исследуемых приборов 12 1 способ - без использования вольтметра, с последовательной заменой номинала источника тока Собрать схему, изображенную на рис.1.4. В качестве выпрямляющего диода можно использовать диод 1N4003 или другой, указанный преподавателем, в качестве диода Шоттки BAS40 или BAS70. Оба диода находятся во вкладке Библиотеки – Diodes, стабилитрон 1N4730А находится во вкладке Библиотеки – Z-Diodes, светодиод – во вкладке Библиотеки – LEDs (рис.1.3). Рис. 1.4 - Схема исследования диодов в прямом включении (1 способ) Рис. 1.5 – Выбор источника постоянного тока 13 Во вкладке Компоненты необходимо открыть выпадающее окно, расположенное в вершине окна и выбрать вкладку Источники и выбрать Источник постоянного тока (рис.1.5). Выбор элемента происходит зажатием левой клавиши мыши (ЛКМ) и перетаскиванием данного элемента на рабочее поле или единичным щелчком ЛКМ и таким же щелчком на рабочем поле. Имеется возможность переворачивания элемента до его установки на рабочее поле нажатием клавиши правой клавиши мыши (ПКМ). Для разворота уже установленного элемента необходимо его выбрать ЛКМ и нажать ПКМ. В появившимся окне необходимо выбрать нужную команду: Повернуть (поворот на 90°), развернуть по оси X (зеркальное отображение элемента относительно оси X), развернуть по оси Y (зеркальное отображение элемента относительно оси Y). Имеется также возможность разворачивать элемент с использованием горячих клавиш (рис. 1.6 а). В случае если элемент не выбирается, то необходимо выбрать на верхней панели кнопку Выделить. а) б) Рис. 1.6 – Окно команд (а) и расположение кнопок Выделить и Земля на верхней панели Схему необходимо заземлить. Заземление можно установить несколькими путями: через верхнюю панель программы (рис. 1.6), через вкладку на верхней панели Вставка (рис. 1.7а), комбинацией клавиш Ctrl+G (рис. 1.7а), через левую панель (Компоненты – Дискретные компоненты) (рис. 1.7б). 14 а б Рис. 1.7 – Расположение заземления в меню в меню Вставка и во вкладке Компоненты Элементы схемы соединяются с помощью Проводника, который добавляется: через верхнюю панель, комбинацией клавиш Ctrl+E, из вкладки меню Вставка- Проводник Рис. 1.8 – Расположение Проводника на верхней панели и в меню Вставка Удаление неправильно установленных компонентов или группы элементов происходит через их выделение и нажатие кнопки DELETE. Для установки значения силы тока на источнике постоянного тока необходимо дважды нажать на него ЛКМ или через ПКМ – Изменить свойства. В открывшимся окне можно задать Имя элементу и его номинал. 15 ВАЖНО!!! После замены величины постоянного тока убедиться, что размерность (Амперы) не были удалены. Рис. 1.9 – Окно свойств источника постоянного тока На рис. 1.10 представлены сокращения степеней и измерения в программе QUCS: Рис. 1.10 – Сокращения степеней и единиц измерения Для запуска моделирования во вкладке Компоненты необходимо выбрать вид моделирования. Для нашей задачи требуется Моделирование на постоянном токе (рис. 1.11). После сбора схемы необходимо запустить моделирование через вкладку Моделирование – Моделировать (рис.1.12) или нажатием клавиши F2. После чего программа потребует сохранить файл и запустит моделирование. Для получения значений падения напряжения на диоде необходимо во вкладке Моделировать выбрать Расчёт рабочей точки по постоянному току (рис. 1.12 или 1.4) или нажать клавишу F8. Падение напряжения будет записано слева от диода (рис. 1.4). Полученные зна16 чения напряжения записать в таблицу 1.1. Повторить измерения напряжения при других значений заданного тока. Рис. 1.11 – Виды моделирования во вкладке Компоненты Рис. 1.12 – Запуск моделирования Таблица 1.1 Тип перехода Переход Шоттки ВАS40 P-N-переход 1N4003 Стабилитрон 1N4730А Светодиод LEDs Iпр, мА 0,01 Uпр, В Uпр, В Uпр, В Uпр, В 17 0,1 1 2 4 6 8 10 2 способ - с использованием вольтметра, с последовательной заменой номинала источника тока Собрать схему, представленную на рис. 1.13. Рис. 1.13 – Схема исследования диодов в прямом включении (2 способ) Как видно из рисунка данный способ требует включения в схему измерительного прибора – Вольтметра, который находится во вкладке Компоненты – Измерители (рис. 1.14). Во вкладке свойств Вольтметра можно задать только его имя. Рис. 1.14 – Расположение Вольтметра 18 Для вывода показаний с Вольтметра необходимо добавить табличную диаграмму, которая находится во вкладке Компоненты – Диаграммы (рис. 1.15). Рис. 1.15 – Расположение таблиц После добавления таблицы в рабочее поле сразу откроется окно свойств таблицы, где необходимо дважды кликнуть на Pr1.V (PR1 – имя измерительного прибора, которая задаётся в вольтметре, а V – снимаемый параметр, в нашем случае напряжение (V)). После чего нажать Применить и ОК. Рис. 1.16 – Окно свойств таблицы В окне также можно задать вид представления чисел и точность. Для повторного открытия окна необходимо дважды щёлкнуть по диаграмме или через ПКМ – Изменить свойства. 19 После запуска моделирования (рис. 1.12) или F2 программа выдаст таблицу с измерениями напряжения на диодах при заданном токе. Значения напряжения также записываются в таблицу 1.1, после чего следует изменить значение силы тока на источнике постоянного тока, повторить измерения напряжения на диодах. 3 способ - с использованием вольтметра и моделированием всего диапазона исследуемых величин токов источника постоянного тока Пользуясь программой QUCS, собрать схему, представленную на рис. 1.17. Рис. 1.17 – Схема исследования диодов в прямом включении (3 способ) Как видно из рис. 1.17, помимо блока Моделирование на постоянном токе требуется установить и блок Развёртка параметра, который находится в Компоненты – Виды моделирования (рис. 1.18). Двойным щелчком по блоку Развёртка параметра (или через ПКМ - Изменить свойства) в открывшимся окне указать тип шага (линейный, логарифмический, список значений, константа), начальное и конечное значение токов, на которых необходимо произвести моделирование, шаг моделирования / количество точек (для линейного) или список значений, если выбран тип список значений, где значения раз20 деляются через знак «;» (например: 0.01 mA; 0.1 mA; 1 mA; 2 mA; 5 mA;10 mA), параметр развёртки (задаётся как имя переменной) и тип моделирования (для нашего случая DC1) (рис.1.19). Рис. 1.18 – Расположение блока Развёртка параметра Рис. 1.19 – Окно свойств Развёртки параметров 21 После задания величин необходимо такую же переменную Параметра для развертки (например, Tok) указать в источнике постоянного тока в окне ток в амперах: Рис. 1.20 – Указание параметра развёртки Рис.1.21 Значения, также как выше, выводятся в табличной диаграмме (рис.1.15-1.17). Также можно вывести и непосредственно графики ВАХ в декартовых системах координат, для чего на рабочее поле необходимо переместить из диаграмм Декартовая (рис. 1.21). Изменить свойства диаграммы, цвет и толщину графика, задать границы значений токов и напряжений можно двойным щелчком по ВАХ (или через ПКМ - Изменить свойства) (рис.1.22, 1.23). Рис. 1.22 – Изменение свойств вольт-амперных характеристик диодов 22 Рис. 1.23 – Изменение границ вольт-амперных характеристик диодов 1.1.2 Исследование вольт–амперных характеристик диодов в обратном включении Для исследования ВАХ стабилитрона достаточно воспользоваться одним из способов в п.2.1.1, подав на стабилитрон обратный ток. Результаты измерений занести в таблицу 1.2. Пример выполнения задания по способу 3 приведен на рис.1.24. Таблица 1.2 Тип перехода Стабилитрон 1N4730А Iобр, мА 0,01 0,1 1 2 4 Uобр, В Рис. 1.24 – Исследование ВАХ стабилитрона 23 6 8 10 Для остальных диодов следует снять зависимость обратного тока (тока экстракции) от поданного напряжения, для чего собрать схему, представленную на рис. 1.26. Амперметр (измеритель тока) находится во вкладке – Компоненты – Измерители– Измеритель тока, а источник напряжения во вкладке Компоненты – Источники – Источник напряжения постоянного тока (рис. 1.25) Рис. 1.25 – Расположение амперметра и источника напряжения Рис. 1.26 – Схемы исследования диодов в обратном включении, изменение свойств источника напряжения 24 При подключении амперметров в цепь не всегда удается подключить их без обрывов в цепи, рекомендуем воспользоваться сочетанием клавиш CTRL+U или нажав ПКМ – выбрать выравнивать по сетке (рис. 1.27). Рис. 1.27 – Подключение амперметра Добавив блок Развертка параметра изменяем его свойства, задаем список значений напряжений из табл.1.3. Рис. 1.28 – Окно свойств Развёртки параметров Тип перехода Переход Шоттки ВАS40 P–N–переход 1N4003 Светодиод LEDs Uобр, В 0.5 1 Iобр, А Iобр, А Iобр, А 25 5 10 20 30 Таблица 1.3 40 50 Для вывода показаний с Амперметра необходимо добавить табличную диаграмму, которая находится во вкладке Компоненты – Диаграммы (рис. 1.15, 1.29), а также можно вывести и непосредственно графики ВАХ в декартовой системе координат, для чего на рабочее поле необходимо переместить из диаграмм Декартовая (рис. 1.21). Рис. 1.29 – Вывод результатов измерений в табличной форме Рис. 1.30 – Вывод результатов измерений в графической форме 26 1.1.3 Графо-аналитический расчет параметров диодов 1. Построить зависимость I = f(U), располагая по оси Y значения тока, а по оси Х – значения напряжения. Прямые ветви ВАХ должны располагаться в I квадранте, а обратные – в III квадранте. Рекомендуемый масштаб для оси прямого тока 2/4/6/8/10 мА, а для оси прямого напряжения 0,2/0,4/0,6/0,8/1/1,2/1,4В. Шаг масштабирования обратного напряжения можно выбрать 5 или 10 В. Для масштабирования обратного тока нужно предусмотреть значения в нА/мкА/мА и А. 2. В рабочей точке (например, I= 8 мА) определить статическое сопротивление Rст (по закону Ома), дифференциальное сопротивление r и крутизну вольт–амперной характеристики S (рис. 1.31) для каждого из исследуемых переходов: U UB U U r A , Ом ; I A IB I I I 1 , См . U r где ∆U и ∆I – малые приращения напряжения и тока (например, 2 мА) вокруг рабочей точки на линейном Iпр, мА участке характеристики. IA А Сделать выво10 ды, в которых отме8 C B тить: какой из пере6 IB ходов открывается при более низких 2 100 50 0,2 0,4 0,6 0,8 Uпр,B напряжениях; какой нА Uобр, B UB UA имеет меньшее сомкА противление в пря1А мом (обратном) включении; Iобр, А насколько отличаются напряжения на Рис. 1.31 исследуемых переходах при одинаковых значениях постоянного тока; в каком из переходов протекает больший ток экстракции; в каком из переходов наступает пробой при меньших по модулю напряжениях. S 27 1.1.4 Исследование выпрямляющих свойств электрических переходов Собрать схему, представленную на рис. 1.32. Рис. 1.32 Блок Моделирование переходного процесса располагается во вкладке Компоненты – Виды моделирования. Двойным щелчком можно изменить свойства блока, подобрав время окончания моделирования (Конец) и шаг. Количество периодов рассчитывается автоматически. Резистор и конденсатор располагаются во вкладке Компоненты – Дискретные компоненты, а во вкладке Источники находится Источник напряжения переменного тока. Чтобы вывести осциллограммы на схему необходимо установить метки проводника непосредственно на входе и выходе схемы, предварительно дав данной метке имя (рис. 1.34). Метки Рис. 1.33 проводника (точки откуда берутся данные для осциллограммы) располагаются на верхней панели и во вкладке Вставка или комбинацией клавиш Ctrl + L. 28 Рис. 1.34 Метка устанавливается путём клика по проводнику. После постановки меток на проводнике необходимо запустить моделирование (F2 или Моделирование – Моделировать) после чего добавить диаграмму декартового типа и в свойствах диаграммы выбрать данные для вывода на графиках (рис. 1.35) (например, e1.Vt, где Vt говорит о том, что данная величина изменяется во времени). Во вкладке Границы (рис.1.36) можно подобрать значения напряжения для более оптимального отображения осциллограмм. Рис. 1.35 – Выбор данных для вывода на осциллограф Для определения амплитуды и других параметров можно на графиках вставить маркеры (рис. 1.37). Маркеры располагается на верхней панели или в меню Вставка – Установить маркер на диаграмме или комбинацией клавиши Ctrl + B. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе (е1– от генератора) и выходе (е2 – напряжение на диоде) друг под другом. 29 Рис. 2.36 – Изменение свойств осциллограмм Рис. 1.37 – Установка маркеров Рис. 1.38 Подсоединить конденсатор ёмкостью С1=1 мкФ параллельно с резистором (рис.1.38). Снова активизировать моделирование схемы. Зарисовать осциллограммы напряжения на фильтре. Измерить амплитуду выходного сигнала. Повысить ёмкость конденсатора (5…100 uF), добиться выпрямительного эффекта, зарисовать полученные осциллограммы. Содержание отчета 1. Наименование и цель работы. 2. Схемы прямого и обратного включения диодов. 3. Результаты измерений в таблицах 1.1, 1.2, 1.3. 30 4. Вольт–амперные характеристики диодов в прямом включении (в I квадранте) и в обратном включении (в III квадранте). 5. Графо–аналитический расчет статического и дифференциального сопротивлений, крутизны вольт–амперной характеристики. 6. Осциллограммы, поясняющие принцип действия выпрямительных диодов. Контрольные вопросы 1. Виды электрических переходов. 2. Принцип действия диода (с p–n–переходом, с переходом Шоттки) в прямом включении. 3. Принцип действия диода (с p–n–переходом, с переходом Шоттки) в обратном включении. 4. Изобразите вольт–амперные характеристики p–n–перехода, омического и выпрямительного контактов между металлом и полупроводником. 5. Перечислите основные параметры диодов. Поясните порядок расчета параметров диодов графо–аналитическим методом. 6. Гетеропереход. Преимущества и недостатки по сравнению с p–n– переходом. 7. Принцип действия излучающих диодов. Изобразите вольт– амперные характеристики СИД и ИКД. 31 Лабораторная работа 2 Исследование характеристик и параметров биполярных транзисторов Цель работы: познакомиться с методикой исследования статических характеристик биполярного транзистора (БПТ) в различных схемах включения. Получить навыки определения параметров БПТ экспериментальным и графо–аналитическим методами. Исследовать параметры БПТ на высоких частотах и с нагрузкой в цепи коллектора. Краткие теоретические сведения Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами (эмиттерным и коллекторным) и тремя (или более) выводами. Область транзистора, расположенная между p–n–переходами, называется базой. Область транзистора, инжектирующая носители в базу, называется эмиттером. Область, экстрагирующая носители из базы, называется коллектором. К Различают два типа транзисторов: n–p–n и p–n–p Б p–n–p (рис. 2.1). Различают три схемы включения (с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим колЭ лектором (ОК)). Общим называют электрод, котоn–p–n рый связан как с входной, так и выходной цепями, и относительно которого измеряют и задают напряжеРис. 2.1 ния. Для обозначения напряжений, подаваемых на электроды транзистора, используются двойные индексы. Первый индекс идентифицирует электрод, на который подается напряжение, измеряеТаблица 2.1 мое относительно обСостояние переходов щего электрода, обоРежим Эмиттерный Коллекторный значаемого вторым Активный открыт закрыт индексом. Насыщения открыт открыт Так как каждый Отсечки закрыт закрыт из p–n–переходов моИнверсный закрыт открыт жет быть смещен либо в прямом (он открыт, через него протекает ток основных носителей), либо в обратном направлении (переход закрыт, протекает небольшой ток экстракции), то возможно реализовать четыре режима работы транзистора (табл. 2.1). В режимах отсечки и насыщения транзистор используется в ключевом режиме (в цифровых схемах). В активном режиме транзистор используется для усиления мощности электрических сигналов (при 32 соблюдении некоторых особенностей устройства транзистора: концентрация примеси в эмиттере больше, чем в базе и коллекторе (обозначают n+–p–n); площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного; толщина базы Wб меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда Lp(Ln)). Инверсный режим используется только в микроэлектронике. Для рассмотрения свойств и определения параметров биполярного транзистора принято пользоваться его статическими характеристиками, которые зависят от схемы включения. Различают входные выходные передаточные ( I1 f (U1 ) U const ) , ( I 2 f (U 2 ) I const ) , 2 ( I 2 f ( I1 ) U 2 1 ) статические характеристики, а также характеристиconst ки обратной связи (U1 f (U 2 ) I const ) . Здесь U1 и U 2 – напряжения на 1 входе и выходе транзистора, а I1 и I 2 силы тока во входной и выходной цепях. Рассмотрим основные параметры I б Uкэ=0 и порядок их графо–аналитического Uкэ= 10 В=const А I1А расчета на примере вольт– амперных характеристик транзистоРТ ра, включенного по схеме с ОЭ. I1B B 1) Входное сопротивление по Uбэ постоянному току рассчитывается в B 0 U1 U1А заданной рабочей точке (РТ) на Рис. 2.2 – Входные характеристики входных характеристиках: R0 вх U1РТ U бэ РТ . (2.1) U 1 A U1 B БПТ, включенного по схеме с ОЭ. Построения к расчету h11 I1РТ I б РТ 2) Дифференциальное входное сопротивление h11 определяется на входной характеристике, снятой при постоянном выходном напряжении U 2 U кэ const . Вокруг рабочей точки строят характеристический треугольник (рис. 2.2), располагая её в середине гипотенузы. Катетами треугольника будут приращения напряжения U1 и тока I1 , которые дают разности между абсциссами и ординатами выбранных точек (А и В). Этот параметр рассчитывается по формуле: h11 U1 I1 U 2 const I1 A I1B (U бэ A U бэ B ) В ( I б A I б B ) мА . (2.2) U кэ 10 В 3) Для определения параметра h12 (дифференциального коэффициента обратной связи по напряжению) надо располагать двумя 33 входными характеристиками, снятыми при различных выходных напряUкэ=10 В жениях U 2 (рис. 2.3). Через рабочую I1=const С РТ точку (РТ) проводят горизонтальную 0,3 мА линию I1 const , соответствующую U бэ постоянному входному току и нахоUбэ, В дят точку пересечения со второй хаU1C U1PT рактеристикой (С). Разность входных Рис. 2.3 – Входные характеристинапряжений в точках пересечения ки БПТ, включенного по схеме с характеристик с этой прямой дает ОЭ. Построения к расчету h12 приращение U1 , а разность выходных напряжений, при которых сняты входные характеристики, дает приращение U 2 (рис. 2.3). Этот параметр определяется по формуле: Iб, мА Uкэ=0 h12 U1 U 2 Iк, мА РТ I2К I к L I2 I 1 const K U1РТ U1С U2 Iб=0,3 мА L U кэ Uкэ, В К U2L U2 Рис. 2.4 – Выходная характеристика БПТ, включенного по схеме с ОЭ. Построения к расчету h22 h22 I 2 U 2 I 1 const РТ U2 C (U бэ РТ U бэ С ) В (U кэ РТ U кэС ) В I . (2.3) б 0,3 мА 4) Для определения параметра h22 (дифференциальной выходной проводимости) на выходной характеристике, снятой при постоянном входном токе I1 const , вокруг рабочей точки строят характеристический треугольник (рис. 2.4), располагая её на середине гипотенузы. Тогда катетами треугольника будут приращения U 2 и I 2 . Этот параметр определяется по формуле: I2K I2L U2K U2L ( I к K I к L ) мА (U кэ K U кэ L ) В I . (2.4) б 0,3 мА 5) Для определения параметра h21 (дифференциального коэффициента усиления по току) на выходных характеристиках проводят вертикальную линию U 2 const , соответствующую постоянному выходному напряжению (рис. 2.5). Разность значений выходных токов в точках пересечения характеристик и линии U 2 const дает приращение I 2 , разность значений входных токов, при которых сняты вы34 ходные характеристики, дает приращение I1 . Этот параметр определяется по формуле: h21 I2 Iк, мА U 2 const N I к РТ I2M M I2 N I2М I1N I1М ( I к N I к М ) мА ( I б N I б М ) мА U . (2.5) кэ 10 B 6) Статический коэффициент усиления по току определяется по выходным характеристикам как отношение выходного тока к входному в заданной рабочей точке: N I1 Uкэ=10 В=const N I 2 I1 Iб=0,3 мА I1M КI I 2 РТ . (2.6) I 1 РТ Для различных схем вклюUкэ, В чения коэффициенты усиления Рис. 2.5 – Выходные характеристики принято обозначать греческими БПТ, включенного по схеме с ОЭ. буквами. Кроме этого, зная коПостроения к расчету h21 эффициент передачи для одной схемы включения, можно определить коэффициент передачи для любой другой схемы включения. Ниже приведены основные формулы и формулы пересчета для различных схем включения. I РТ К I к РТ 1 . Для схемы с ОЭ: (2.7) 1 Iб Для схемы с ОБ: Для схемы с ОК: КI КI I к РТ Iэ РТ I э РТ 1 . 1 1 (2.8) 1 . 1 (2.9) Iб 7) Выходная проводимость по постоянному току определяется в заданной рабочей точке на одной из выходных характеристик как отношение выходного тока к выходному напряжению: G 0 в ых I 2 РТ РТ I к РТ . (2.10) U 2 РТ U кэ РТ Внимание!!! Конечные формулы в (2.1) – (2.5), (2.10) соответствуют схеме включения транзистора с ОЭ. 35 Порядок выполнения работы Задание 1. Исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и работающего в активном режиме. Параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), удобно анализировать с помощью следующих зависимостей: –входные характеристики I б f (U бэ ) U const ; (2.11) кэ –выходные характеристики I к f (U кэ ) I б const . (2.12) 1. В программе QUCS 0.0.19 собрать схему, приведенную на рис. 2.6 или 2.9. Рис. 2.6 – Схема исследования БПТ, включенного с ОЭ Блок Моделирование на постоянном токе находится во вкладке Компоненты – Виды моделирования (рис. 2.7). Заземление находится в Компонентах –Дискретных компонентах (рис. 1.6, 1.7). Во вкладке Компоненты – Источники (рис. 1.25) находятся Источник напряжения постоянного тока и Источник постоянного Рис. 2.7 тока. Амперметр и вольтметр находятся во вкладке Компоненты – Измерители – Измеритель тока (рис. 1.25) или Измеритель напряжения. Биполярный транзистор находится во вкладке Библиотеки – Transistors (рис. 1.3) –2N3904 (или другой, указанный преподавателем). Соединение элементов проводится с помощью проводников (рис. 1.8). 36 Для получения измерений входного напряжения и выходного тока на рабочее поле следует добавить две таблицы (рис.1.15 и 1.16) из вкладки Компоненты – Диаграммы – Табличная. При изменении свойств таблиц (рис. 2.8) одной из них прописать Pr1.I (измерение тока), а другой Pr2.V (измерение напряжения). Моделирование запускается через верхнюю панель Моделирование– Моделировать или клавишей F2. Рис. 2.8 При моделировании способом, показанным на рис. 2.6, напряжение в выходной цепи поддерживается постоянным, например, Uкэ = 10 В=V1. С помощью источника постоянного тока задается входной ток – ток базы, например, Iб = 0,001 мА=I1. Результат измерения следует занести в соответствующую ячейку в таблице 2.1. Как видно из рис. 2.6, для выбранного транзистора 2N3904 (≈ К Т375А) это значение составило 0,574 В. В соответствии с этой таблицей продолжать измерения, изменяя значения Iб, а затем и Uкэ. Таблица 2.1 Uкэ, В Iб, мА 0,001 0,01 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Uбэ, В 0 Uбэ, В 0,574 0,651 0,768 10 Рис. 2.9 – Схема исследования БПТ с помощью блока «Развертка параметра» 37 Рис. 2.10 При моделировании способом, показанным на рис. 2.9, напряжение в выходной цепи также поддерживается постоянным, например, Uкэ = 10 В=V1. На источнике постоянного тока вместо конкретного значения прописать переменную, например, Ib, затем нажать кнопки «Применить» и «ОК», а в блоке «Развертка параметра», который находится в Компонентах – Виды моделирования, внести список значений токов, приведенных в таблице 2.1 (рис.2.10), перед этим указав параметр для развертки Ib и вид моделирования DC1. После запуска моделирования в таблице, которая выводит значения входного напряжения, должны высветиться измеренные значения, которые следует занести в таблицу 2.1. Повторить измерения при другом значении выходного напряжения Uкэ. Результаты измерения можно вывести с помощью графика Компоненты – Диаграммы – Декартовая (рис.1.21). Рис. 2.11 38 2. По данным измерений необходимо построить графики входных характеристик (2.11), располагая ось входного тока по оси y (масштаб 0,1-0,5 мА с шагом 0,1 мА), а ось напряжений по оси х (масштаб 0,5– 0,9 В с шагом 0,1 В), т.е. не так, как показано на рис. 2.11. 3. Графо–аналитическим методом рассчитать в рабочей точке (РТ) Iб=0,3 мА; Uкэ=10 В: – входное сопротивление по постоянному току R0вх (2.1); – дифференциальное входное сопротивление h11э (2.2); – дифференциальный коэффициент обратной связи по напряжению h12э (2.3). 4. Для снятия выходных характеристик БПТ(2.12) входной ток (ток базы) следует поддерживать постоянным, например, Iб = 0,2 мА=I1. Изменяя выходное напряжение на коллекторном переходе Uкэ =V1 от 0,05 до 15 В, измерить выходной ток – ток коллектора Iк, значение которого покажет амперметр. Результаты измерений занести в таблицу 2.2. Повторить измерения при других значениях входного тока. Таблица 2.2 Iб, Uкэ, В 0,05 0,1 0,5 1 2 5 10 15 мА Iк, мА 3,77 25,2 0,2 Iк, мА 0,3 Iк, мА 0,4 Рис. 2.12 – Схема исследования выходных характеристик БПТ Как видно из рис.2.12 для снятия выходных характеристик с помощью блока «Развертка параметра» следует в его свойствах изменить 39 параметр переменной Uke и в список значений внести все значения выходного напряжения, при которых нужно провести измерения выходного тока. Соответственно на источнике напряжения вместо конкретных значений подставить заданную переменную Uke. Все выходные характеристики можно наблюдать на одном графике (рис.2.13), если сделать копии схем и изменить на каждой схеме входной ток. На вкладке Данные для отображения на графиках следует выбирать номера амперметров Pr1.I и т.д. Рис. 2.13 5. По данным измерений необходимо построить графики выходных характеристик (2.12) и графо–аналитическим методом рассчитать в рабочей точке Iб=0,3 мА; Uкэ=10 В: – дифференциальный коэффициент усиления по току h21э (2.5); – дифференциальную выходную проводимость h22э (2.4); – выходную проводимость по постоянному току G0вых (2.10); – статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ β (2.7). Пересчитать его в коэффициенты усиления для схем с ОБ αрасч (2.8) и с ОК κрасч (2.9). Задание 2. Исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой и работающего в активном режиме. Параметры транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ), удобно анализировать с помощью следующих зависимостей: – входные характеристики I э f (U эб ) U const ; (2.13) кб – выходные характеристики I к f (U кб ) I 40 э const . (2.14) 1. В программе QUCS 0.0.19 собрать схему, приведенную на рис. 2.14. Рис. 2.14 –Схема исследования входных характеристик БПТ, включенного с ОБ Рис. 2.15 – Изменение свойств блока «Развертка параметра» и входной характеристики БПТ Напомним, что блоки Моделирование на постоянном токе и Развертка параметра находятся во вкладке Компоненты – Виды моделирования (рис. 2.7). Заземление находится в Компонентах – Дискретных компонентах (рис. 1.6, 1.7). Во вкладке Компоненты – Источники (рис. 1.25) находятся Источник напряжения постоянного тока и Источник постоянного тока. Амперметр и вольтметр нахо41 дятся во вкладке Компоненты – Измерители – Измеритель тока (рис. 1.25) или Измеритель напряжения. Биполярный транзистор находится во вкладке Библиотеки – Transistors (рис. 1.3) –2N3904 (или другой, указанный преподавателем). Соединение элементов проводится с помощью проводников (рис. 1.8). Для получения измерений входного напряжения и выходного тока на рабочее поле следует добавить две таблицы (рис.1.15 и 1.16) из вкладки Компоненты – Диаграммы – Табличная. При изменении свойств таблиц одной из них прописать Pr1.I (измерение тока), а другой Pr2.V (измерение напряжения). Моделирование запускается через верхнюю панель Моделирование–Моделировать или клавишей F2. При моделировании способом, показанным на рис. 2.14, напряжение в выходной цепи также поддерживается постоянным, например, Uкэ = 0 В=V1. На источнике постоянного тока вместо конкретного значения прописать переменную, например, Iе, затем нажать кнопки «Применить» и «ОК», а в блоке «Развертка параметра» внести список значений токов, приведенных в таблице 2.3 (рис.2.14), перед этим указав параметр для развертки Iе и вид моделирования DC1. После запуска моделирования в таблице, которая выводит значения входного напряжения, должны высветиться измеренные значения, которые следует занести в таблицу 2.3. Повторить измерения при другом значении выходного напряжения Uкб. Результаты измерения можно вывести с помощью графика Компоненты – Диаграммы – Декартовая (рис.1.21). Таблица 2.3 Uкб, В Iэ, мА 0,1 5 10 20 30 40 50 60 Uэб, В 0,586 0,783 0 Uэб, В 10 2. По данным измерений построить графики входных характеристик (2.13), располагая ось входного тока по оси y (масштаб 10-60 мА с шагом 10 мА), а ось напряжений по оси х (масштаб 0,5–0,9 В с шагом 0,1 В), т.е. не так, как показано на рис. 2.14. 3. Графо–аналитическим методом рассчитать в рабочей точке (РТ) Iэ=40 мА; Uкб=10 В: –входное сопротивление по постоянному току R0вх=Uэб/Iэ ; (2.15) –дифференциальное входное сопротивление U эб ; (2.16) h11 б I э U const кб – дифференциальный коэффициент обратной связи по напряжению 42 h12 б U эб U кб (2.17) I э const 4. Снять зависимость выходного тока от выходного напряжения (2.14), для чего внести изменения в схему исследования как показано на рис. 2.16. Рис. 2.16 – Схема исследования выходных характеристик БПТ, включенного с ОБ На Источнике постоянного напряжения изменить постоянное напряжение на переменную Ukb, в блоке Развертка параметра присвоить этой переменной Таблица 2.4 значения выходного Iэ, мА Uкб, В 0,1 5 10 15 напряжения, перечисIк, мА 4,96 4,97 ленные в таблице 2.4. На 5 источнике тока устаноIк, мА 10 вить постоянное значеIк, мА 40 ние тока I1 =Iэ= 5 мА. Измерить выходной ток – ток коллектора Iк, значения которого покажет амперметр (таблица из вкладки Компоненты – Диаграммы – Табличная, в которой следует прописать выводимый параметр Pr1.I. Результаты измерения занести в табл. 2.4. Затем повторить измерения Iэ при 10 и 40 мА. Результаты измерения можно вывести с помощью графика Компоненты – Диаграммы – Декартовая (рис.1.21). Границы по оси Х задать от 0 до 15 с шагом 5, а по оси Y от 0 до 0.06 с шагом 0.01. 43 5. По данным измерений необходимо построить графики зависимостей (2.14), затем графо–аналитическим методом рассчитать в рабочей точке Iэ=40 мА; Uкб=10 В: – статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ α (2.8). Пересчитать его в коэффициенты усиления для схем с ОЭ βрасч (2.7) и с ОК κрасч (2.9); – выходную проводимость по постоянному току G0вых = Iк/Uкб; (2.18) – коэффициент усиления по току h21 б I к I э ; (2.19) U кб const – дифференциальную выходную проводимость h22 б I к U кб . (2.20) I э const Порядок расчета и необходимые построения на вольт–амперных характеристиках были рассмотрены в кратких теоретических сведениях для схемы с ОЭ. Рассчитанные параметры можно свети в таблицу 2.5. Сделать выводы по проделанной работе. В выводах отметить: какая из схем включения имеет максимальное (минимальное) входное сопротивление; отличаются ли значения статического и дифференциального входных сопротивлений; какая из схем включения имеет максимальный (минимальный) дифференциальный коэффициент обратной связи по напряжению; какая из схем включения имеет максимальный (минимальный) коэффициент усиления по току; отличаются ли значения статического и дифференциального коэффициентов усиления по току; какая из схем включения имеет максимальную (минимальную) выходную проводимость. Таблица 2.5 R0вх h11 h12 α β κ h21 G0вых h22 ОЭ ОБ Серым цветом помечены ячейки для расчетных параметров β расч; α расч Задание 3. Измерение h–параметров биполярного транзистора на переменном токе (методом малых амплитуд) Входное сопротивление h11 транзистора и дифференциальный коэффициент усиления по току h21 измеряются в режиме короткого замыкания на выходе, а коэффициент обратной связи по напряжению h12 44 и выходная проводимость h22 – в режиме холостого хода на входе (по переменному току). Рис.2.17 1. Собрать схему, представленную на рис. 2.17. Установить вольтметр и амперметр в режим измерения переменного сигнала (рис.2.18). Рис. 2.18 На блоке Моделирование на переменном токе (находится во вкладке Компоненты – Виды моделирования), на источнике переменного тока и источнике напряжения переменного тока (находятся во вкладке Компоненты – Источники) установить частоту переменного сигнала f=1 кГц. На источнике переменного тока выставить, для начала, амплитуду входного сигнала Imб=I1=0,1мА; напряжение источника питания Е=V2=10 В; постоянную составляющую тока базы Iб0=I2=0,2 мА; амплитуду переменной составляющей выходного напряжения Umкэ =V3=0 В. 45 2. Запустив моделирование (F2), измерить амплитудные значения выходного тока Imк (Pr2.i) и входного напряжения Umбэ (Pr1.v). Повторить измерения для других значений Iб0=I2, перечисленных в таблице 2.6, туда же занести результаты измерений. Таблица 2.6 Режим измерения Iб0, мА 0,2 0,3 0,4 14,4 U , Imб = 0,1 мА mбэ мВ Umкэ = 0 В Imк, мА 9,13 U Imб = 0 мА mбэ, мВ Umкэ = 5 В Imк, мА h11 (Ом)=Umбэ/Imб= Umбэ (мВ)/0,1 (мА) 144 h21= Imк /Imб= Imк (мА)/0,1 (мА) 91,3 h12=Umбэ/ Umкэ = Umбэ (мВ)/5 (В) h22 (мСм)= Imк / Umкэ = Imк (мА)/5 (В) 3. Затем установить амплитуду переменной составляющей тока базы Imб =I1= 0, амплитуду переменной составляющей напряжения коллектора Umкэ =V3= 5 В. Измерить амплитудные значения входного напряжения Umбэ и выходного тока Imк. 4. Рассчитать малосигнальные h–параметры и построить графики h11э, h12э, h21э, h22э =f (Iб0). Задание 4. Исследование свойств биполярного транзистора на высоких частотах Краткие теоретические сведения Качество транзисторов |h21| характеризуется их способностью усиливать мощность β входных сигналов. На высоβ/ 2 ких частотах наблюдается 1 уменьшение коэффициента α усиления по мощности КР, α/ 2 f, Гц обусловленное увеличением проводимости цепи обратной fβ fгр fα связи, и появляется фазовый Рис. 2.19 сдвиг, т.е. запаздывание колебаний выходного тока по отношению к колебаниям входного тока. Максимальная частота усиления (частота, на которой КР=1) определяется по формуле: f max f пр 8 Rб Скб , 46 (2.21) то есть, для определения максимальной частоты усиления необходимо знать предельную частоту (частоту, на которой модуль коэффициента передачи по току уменьшается в 2 раз (или на 3 дБ)) и величину постоянной времени коллекторной цепи к RбСкб , обычно приводимую в справочных данных. Предельная частота усиления по току в схеме с ОЭ во много раз меньше, чем в схеме с ОБ (рис. 2.19): f f . Причем, они связаны между собой следующими соотношениями: (2.22) f (1 ) f , f ( 1) f . Кроме этого, предельная частота в схеме с ОБ зависит от ширины базы Wб: f Dn ( Wб2 ) , (2.23) где Dn – коэффициент диффузии электронов. Отсюда следует, что для улучшения частотных свойств необходимо, чтобы база транзистора была узкой. При увеличении частоты входного сигнала параметры БПТ становятся комплексными величинами, возникает сдвиг фаз между входным и выходным током, коэффициент передачи по току уменьшается: К i К 0 1 j ( f f пр ) , где К0 – коэффициент передачи по току на низких частотах, j – мнимая единица. Модуль комплексного коэффициента передачи по току определяется как K K 1 ( f 2 f 2 ) . (2.24) i пр 0 Сдвиг фаз (задержка) выходного тока относительно входного равен: arctg ( f f пр ) . (2.25) В схемах с ОЭ и ОК транзистор обладает усилительными свойствами вплоть до некоторой частоты, на которой коэффициент усиления по току К i 1 . Эту частоту называют граничной частотой. Cпр Cвых Uc ~ Cвх E1 Рис. 2.20 E2 Rн Ухудшение свойств БПТ на высоких частотах обусловлено, главным образом, временем, которое требуется носителям для их продвижения от эмиттера к коллектору, сопротивлением базы, инерционностью носителей, индуктивностью выводов, и, в несколько меньшей мере, шунтирующим действием емкостей p–n–переходов. 47 На рис. 2.20 показаны: Cвх – входная емкость, шунтирующая источник сигнала; Свых – выходная емкость, шунтирующая нагрузку; Спр – проходная емкость, создающая обратную связь между выходной и входной цепью. С ростом частоты емкостное сопротивление XС =1/ С уменьшается, шунтирующее действие Свх и Свых усиливается. Обратная связь через проходную емкость Спр может привести к самовозбуждению, т.е. усилитель превращается в генератор. Порядок выполнения работы 1. Пользуясь программой схемотехнического моделирования QUCS 0.0.19, собрать схему, представленную на рис. 2.21. Рис. 2.21 Виды моделирования: Моделирование на постоянном токе и Моделирование на переменном токе. В окно Моделирование на переменном токе прописать частоты, на которых будет проходить моделирования (10 kHz; 100 kHz; 1 MHz; 10 MHz; 1 GHz; 10 GHz) (рис. 2.22). Тип транзистора 2N3904, амплитуда входного сигнала Uвх = V3=10 мВ. От источников постоянного напряжения V1 и V2 на вход подается 0,7 В; на выход 10 В. С помощью табличного вида диаграммы вывести значения вольтметра (рис. 2.21 и 2.23). Для вывода АЧХ (рис.2.25) выбрать Декартовый тип диаграммы и в свойствах поставить галочку в пункте логарифмическая разметка оси Х (рис. 2.24). 48 Рис. 2.22 Рис. 2.23 49 Рис. 2.24 Рис. 2.25 50 2. Результаты измерений выходного напряжения и сдвига по фазе , 0 занести в таблицу 2.7. 3. Рассчитать коэффициент усиления по напряжению (в разах и децибелах) и нормированную частотную характеристику Y = К/К0, где К0 – коэффициент передачи на низкой частоте. Результаты расчетов занести в таблицу 2.7. Таблица 2.7 f, Гц Uвых, В К = Uвых/Uвх Y = К/К0 Красч(дБ)=20 lg K , 0 =–1800 104 1.99 К0=199 1 45.97 180 0 Uвх=10 мВ 105 105 107 f =… 108 109 К0 /√2= 4. Определить предельную частоту усиления fβ. На этой частоте коэффициент передачи уменьшается в √2 раз (или на 3 дБ, если коэффициент усиления в дБ) по сравнению с его значением на низкой частоте. 5. Построить графики зависимости К=ψ(f) (или Y=ψ(f)) и =ψ(f). На графике указать предельную частоту, на которой коэффициент передачи уменьшается в 2 раз (на 3 дБ). 6. Сделать выводы о том, как изменяются параметры транзистора с ростом частоты. Задание 5. Исследование свойств биполярного транзистора в усилительном режиме (с нагрузкой в цепи коллектора) Краткие теоретические сведения Токи и напряжения в выходной цепи транзистора, работающего в квазистатическом режиме (с нагрузкой в выходной цепи и на частотах, на которых не сказывается влияние реактивных элементов), определяются семейством выходных характеристик и законом Кирхгофа: (2.26) Е2 U кэ0 I к0 Rн , где U кэ 0 , I к 0 постоянные составляющие напряжения и тока в цепи коллектора. Графо–аналитический метод анализа усилительных схем 51 позволяет определить постоянные и переменные токи и напряжения во всей области электрически безопасных режимов работы транзистора. Решение уравнения (2.26) относительно выходного тока называют уравнением нагрузочной прямой. Нагрузочная прямая наносится на семейство выходных характеристик, как показано на рис. 2.26. Из рисунка видно, что нагрузочная прямая отсекает на осях отрезки: Uкэ = Е2 при Iк= 0 и Iк = Е2/Rн при Uкэ= 0. На нагрузочной прямой указывается рабочая точка (РТ) в соответствии с заданными значениями постоянной составляющей I б 0 и амплитуды входного тока I m б . Затем графически определяются постоянные и переменные составляющие токов и напряжений в цепях базы и коллектора (рис. 2.26). Выявляются наличие или отсутствие искажений формы сигнала. Под действием переменного входного тока РТ на выходных характеристиках двигается вдоль линии нагрузки. Если она в какой–либо части периода попадает в область отсечки или насыщения, то всегда имеет место искажение формы выходного сигнала. В этом случае необходимо уменьшить заданную величину амплитуды входного тока до величины, при которой рабочая точка не будет выходить за пределы активной Iб, мкА Uкэ0 Iк, мА Iк, мА Е2/Rн РТ Iб0 РТ Iб0 Iк0 2Imк 2Imб Iкmax t Iкmin Uбэ0 Uбэmin Uбэ, В Uбэmax Е2 Uкэmin Uкэ0 Uкэmax Uкэ, В 2Umкэ 2Umбэ t t Рис. 2.26 – Входные и выходные характеристики кремниевого планарно– эпитаксиального n–p–n транзистора КТ503А, включенного по схеме с ОЭ. Построения к расчету параметров усилителя на БПТ. 52 области работы прибора. Следует обратить внимание на то, что выходное напряжение U кэ противофазно току коллектора I к . Так как максимальные значения положительных и отрицательных полупериодов сигнала могут быть неодинаковыми и, значит, усиление большого сигнала и в активном режиме сопровождается некоторыми искажениями, то значения амплитуд определяются как средние за период. Imк I к max I к min 2 ; U m кэ U кэ max U кэ min 2 ; U m бэ U бэ max U бэ min 2 . (2.27) Значения рабочих параметров каскада в рабочей точке выражаются через соответствующие амплитуды и постоянные составляющие токов и напряжений. Коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности: U m кэ I , К I m к , К P К I КU . (2.28) КU Imб U m бэ Входное и выходное сопротивления каскада: U U m бэ ; Rв ых m кэ . Rвх Imб Imк Мощность, потребляемая от источника питания: Pпотр Е2 Iк 0 . (2.29) (2.30) Полезная мощность в нагрузке: PR~ 0,5U m кэ I m к . Мощность, рассеиваемая в коллекторе: Pк Uкэ 0 I к 0 . Коэффициент полезного действия выходной цепи: P R ~ 100% . Pпотр (2.31) (2.32) (2.33) Порядок выполнения работы 1. Пользуясь программой QUCS 0.0.19, собрать схему, приведенную на рис. 2.27. Блоки Моделирование на постоянном токе, Моделирование на переменном токе и Развертка параметра находятся на вкладке Компоненты–Виды моделирования. В блоке Моделирование на переменном токе прописать частоты, на которых будет проходить моделирования (1 kHz; 10 MHz) (рис. 2.27). Тип транзистора 2N3904, амплитуда входного переменного тока Iвх = Imб =I1=0.1 мA, 53 постоянная составляющая входного тока базы Iб0=I2=0,3мА; напряжение источника питания Е=V2=10 В; сопротивления нагрузочного резистора Rн=50, 100, 300 Ом задаются в блоке Развертка параметра (рис. 2.28), на схеме указывается заданная переменная, например, R1. С помощью табличного вида диаграммы вывести измеренные значения с вольтметров (амплитудные значения выходного напряжения Umкэ, входного напряжения Umбэ) и амперметра (амплитудное значение выходного тока Imк). Результаты измерений занести в таблицу 2.8. Рис. 2.27 – Схема исследования БПТ с нагрузкой в выходной цепи Рис. 2.28 – Изменение свойств блока «Развертка параметра» и свойств таблицы с измерениями Uвх (Pr1.v), Uвых(Pr2.v), I вых(Pr3.i) 2. По данным измерений рассчитать параметры усилительного каскада: коэффициенты усиления по току КI, по напряжениюKU, по мощности KP; мощность сигнала на входе Р1 и на выходе Р2; входное Rвх и выходное Rвых сопротивления транзистора. 54 50 Ом Rн Частота Umбэ, В Umкэ, В Imк, мА КI = Imк / Imб KU = Umкэ /Umбэ KP= KU· КI Rвх =Umбэ / Imб, Ом Rвых =Umкэ / Imк, Ом Р1=Imб·Umбэ /2, мкВт Р2=Imк·Umкэ /2, мВт 1кГц 10MГц 100 Ом 1кГц 10MГц Таблица 2.8 300 Ом 1кГц 10MГц 0.0095 0.374 7.49 74.9 39.37 2948.7 95 49.9 0,475 1,4 3. Построить графики зависимостей КI, KU, KP, Rвх, Rвых, Р1, Р2 = f (Rн) для двух значений частот. 4. Сделать выводы о том, как влияет сопротивление нагрузочного резистора на параметры транзистора. Содержание отчета 1. Наименование и цель работы. 2. Схемы включения БПТ с ОЭ, ОБ в активном режиме. 3. Результаты измерений (табл. 2.1–2.4) с соответствующими им графиками вольт–амперных характеристик (зависимости 2.11, 2.12, 2.13, 2.14). 4. Графо–аналитический расчет параметров транзистора для каждой из двух исследуемых схем включения транзистора (формулы 2.1– 2.10). 5. Сводная таблица 2.5 с рассчитанными параметрами и выводы по заданиям 1-2. 6. Схема измерения h-параметров (рис. 2.17) и таблица 2.6 с экспериментальными данными и расчетами на их основе. 7. Графики экспериментальных зависимостей h11, h12, h22, h21 =f(Iб0). Выводы по заданию 3. 8. Схема исследования БПТ на высоких частотах (рис.2.21). 9. Экспериментальные данные и расчетные параметры (табл. 2.7). 10. Графики зависимостей К=ψ (f) (или Y=ψ (f)) и =ψ (f). Выводы по заданию 4. 55 11. Схема исследования БПТ с нагрузкой в выходной цепи (рис. 2.27). 12. Экспериментальные данные и расчетные параметры (табл. 2.8). 13. Графики зависимостей КI, KU, KP, Rвх, Rвых, Р1, Р2 =f (Rн) для двух значений частот. Выводы по заданию 5. Контрольные вопросы 1. Изобразите устройство биполярного транзистора. Объясните назначение элементов его конструкции. 2. Приведите условное графическое обозначение транзисторов р– n–р и n–р–n типов. Чем отличается принцип их действия? 3. Охарактеризуйте режимы работы биполярного транзистора. Укажите на семействе выходных характеристик области активного режима, а также режимов насыщения и отсечки. 4. Изобразите р–n–р транзистор, включенный по схеме с общим коллектором (ОК). Укажите полярность питающих напряжений для активного режима (режима отсечки или насыщения). 5. Изобразите n–p–n транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Укажите полярность питающих напряжений для активного режима (режима отсечки или насыщения). 6. Нарисуйте семейство входных (выходных) характеристик р–n–р (n–р–n) транзистора в схеме с общей базой (ОБ). 7. Нарисуйте семейство входных (выходных) характеристик р–n–р (n–р–n) транзистора в схеме с ОЭ. 8. Какая из схем включения БПТ обеспечивает бо́льшее усиление по току? Как определить статический и дифференциальный коэффициент усиления? 9. Перечислите основные параметры биполярного транзистора. 10. Графо–аналитический расчет дифференциальных h– параметров транзистора. 11. Дайте определения дифференциальным h, y и z – параметрам. В чем их отличие? В чем преимущества системы h–параметров? 12. Поясните, как определяются дифференциальные h–параметры по статическим характеристикам транзистора. 13. Как зависят h–параметры от величины входного тока? 14. Как зависят h–параметры от схемы включения транзистора? 15. Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ равен 100. Определите коэффициенты усиления в схемах с ОБ и ОК. 16. Назовите основные причины, ухудшающие усилительные свойства БПТ с повышением рабочих частот. 56 17. Расскажите о влиянии конструктивных особенностей транзистора (толщины базы, ёмкостей переходов и т.д.) на частотную зависимость параметров транзистора. 18. Какая схема (ОБ, ОЭ, ОК) и какой транзистор (n-p-n или p-n-p) имеют лучшие частотные свойства? 19. Изобразите и поясните зависимость коэффициентов передачи токов эмиттера и базы от частоты. 20. Коэффициент усиления по току на низкой частоте равен 100. Определите коэффициент усиления на предельной частоте. 21. Дайте определения параметрам: граничная частота и максимальная частота усиления. 22. Определите сдвиг фаз между входным и выходным токами на частоте в 2 раз большей предельной частоты. 23. Определите модуль коэффициента передачи тока эмиттера на частоте 17,3 МГц, если известно, что на низких частотах он равен 0,96 и предельная частота 10 МГц. 24. Изобразите и поясните график зависимости фазового сдвига между входным и выходным токами от частоты. 25. Изобразите схему простейшего усилителя при включении БПТ по схеме с ОЭ. Поясните работу и назначение элементов схемы. 26. Объясните методику построения нагрузочной линии в системе выходных характеристик БПТ. Как зависит ее положение от напряжения питания Е2 и сопротивления нагрузки RН? 27. Объясните зависимость коэффициентов усиления (КU, KI, KP) от величины сопротивления нагрузки в выходной цепи. 28. Какая схема (ОБ, ОЭ, ОК) обеспечивает наибольший коэффициент усиления по току, по напряжению, по мощности? 29. Запишите выражения для рабочих параметров КU, KI, KP, Rвх усилителя при включении БПТ с ОБ. Произведите сравнение со схемами с ОЭ и ОК. 57 Лабораторная работа 3 Исследование характеристик и параметров полевых транзисторов Цель работы: познакомиться с методикой исследования статических характеристик полевых транзисторов (ПТ), включенных по схеме с общим истоком (ОИ). Получить навыки определения параметров ПТ графо–аналитическим методом. Краткие теоретические сведения Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. Электрод, из которого выходят носители заряда, называется истоком; принимающий носители электрод называется а б в стоком; элекРис.3.1– Условное графическое обозначение и разрезы ПТ: трод, на котоа – МДП с индуцированным n–каналом, рый подается б – МДП со встроенным р–каналом, управляющее в – ПТ с управляющим p-n-переходом n–каналом напряжение, называется затвором. Сток и исток обычно подсоединяются к сильнолегированным областям; канал является слаболегированным тонким слоем, который может иметь электропроводность как n–, так и р–типа. Выделяют два основных типа полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом (рис. 3.1в) (в качестве перехода может быть p–n–переход, гетеропереход или переход Шоттки); полевые транзисторы с изолированным затвором (со встроенным (рис. 3.1б) или индуцированным каналом (рис. 3.1а)). У них затвор выполнен в виде металлической пленки, изолированной от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика (SiO2). Поэтому их называют МДП–транзисторами. В приборе с управляющим электрическим переходом под действием запирающего напряжения на затворе изменяются геометрические 58 размеры канала, т.е. расширяется p–n–переход и сужается оставшаяся часть проводящего канала (сопротивление канала увеличивается). Таким образом, максимальный ток, протекающий через канал, достигается при напряжении на затворе Uзи=0. При некотором напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки Uотс, ток стока прекращается Ic=0. В МДП–транзисторах изменяется электропроводность канала вблизи поверхности полупроводника под действием напряжения, приложенного к затвору. МДП–транзистор с индуцированным каналом при напряжении на затворе Uзи=0 канала не имеет. Он образуется при некотором напряжении, называемом пороговым напряжением Uпор. Напряжение на затворе Uзи создает электрическое поле, притягивающее неосновные носители заряда подложки в область канала, при этом канал обогащается основными носителями, его сопротивление уменьшается, проводимость возрастает. МДП–транзистор со встроенным каналом (т.е. созданным в исходном кристалле методами диффузионной технологии) может работать при напряжениях Uзи разной полярности, но в одном случае он будет работать в режиме обогащения канала (с ростом напряжения на затворе |Uзи| ток стока Ic увеличивается), а в другом случае – в режиме обеднения канала (с ростом |Uзи| уменьшается Ic). По сравнению с биполярными, ПТ имеют значительно бо́льшие входные сопротивления и обладают более низким уровнем шума. Для рассмотрения свойств и параметров полевого транзистора принято пользоваться статическими характеристиками, которые зависят от схемы включения. В основном используют выходные ( I 2 f (U 2 ) U const ) и передаточные ( I 2 f (U 1 ) U const ) статические ха1 2 рактеристики. Для схемы с общим истоком (ОИ) передаточные (стоко–затворные) характеристики представляют собой зависимость I c f (U зи ) U соnst , а выходные (стоковые) – I c f (U cи ) U соnst . си зи Ток стока полевого транзистора I с зависит от напряжения на затворе U зи и напряжения на стоке U си . Поэтому выражение для полного дифференциала тока стока можно представить в виде: I c I c dI с dU зи dU си . (3.1) U зи U си 59 В этом выражении частные производные, определяющие дифференциальные параметры транзистора, на линейном участке характеристики можно определять через конечные приращения тока при изменении соответствующих напряжений. Для того, чтобы в рабочей точке (РТ) определить параметры, на кривой строят характеристичеРис. 3.2 – Стоко–затворные характеский треугольник (рис. 3.2 и ристики ПТ с управляющим p–n– 3.3), располагая рабочую точку переходом n–каналом. Построения к в середине гипотенузы. Тогда расчету крутизны S катетами треугольника будут приращения соответствующего напряжения U и тока стока I c . Приращения токов и напряжений дают разности между ординатами и абсциссами выбранных точек на линейном участке характеристики. Первая производная в выражении (3.1) характеризует управляющее действие затвора. Параметр называют крутизной стоко– затворной характеристики и измеряют в А/В. S I с U зи U си const IсB Iс A U зи A U зи B y 21 . (3.2) U си const Этот же параметр называется дифференциальной проводимостью прямой передачи транзистора и обозначается y21. На предельной частоте fпр проводимость уменьшается в 2 раз, т.е. S S ( f пр ) 0 , (3.3) 2 Рис. 3.3 – Выходные характеристики ПТ с управляющим p–n–переходом n–каналом. Построения к расчету Gi, Ri 60 где S 0 – крутизна на низкой частоте. Вторая производная в выражении (3.1) характеризует влияние выходного напряжения на ток стока и называется дифференциальной выходной проводимостью транзистора. Ее определяют по выходной характеристике, снятой при постоянном напряжении Uзи: Gi I c U си U зи const I с D I сC U cи D U cиC Рис. 3.4 – Выходные характеристики ПТ. Построения к расчету μ μ U си U зи I const с y 22 . (3.4) U зи const Часто вместо параметра Gi применяют обратную величину – дифференциальное выходное сопротивление Ri 1 . (3.5) Gi Коэффициент усиления по напряжению характеризует сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока: U си РТ U си А U зи РТ U зи А . (3.6) Для его определения графо–аналитическим методом нужно располагать как минимум двумя характеристиками (либо передаточными, либо выходными) (рис.3.4). Порядок выполнения работы 1. Пользуясь программой схемотехнического моделирования Qucs, cобрать схему, изображенную на рис. 3.5. Рис. 3.5 – Схема исследования полевого транзистора Блоки Моделирование на постоянном токе и Развертка параметра находятся во вкладке Компоненты – Виды моделирования (рис. 3.6). Заземление находится в Компонентах –Дискретных ком61 понентах (рис. 1.6, 1.7). Источники напряжения постоянного тока находятся во вкладке Компоненты – Источники (рис. 1.25), амперметр находится во вкладке Компоненты – Измерители – Измеритель тока (рис. 1.25). Полевой транзистор с управляющим p–n–переходом n–каналом во вкладке Библиотеки – JFETs (рис. 1.3) – J2N3954 (или другой, указанный преподавателем). Соединение элементов проводится с помощью проводников (рис. 1.8). 2. Установив постоянное значение выходного напряжения Uси = 10 В=V2, снять зависимость выходного тока Iс от входного напряжения Uзи=V1. Определить напряжение отсечки Uотс, при котором ток стока становится равным нулю. Результаты измереРис. 3.6 ний занести в таблицу 3.1. Таблица 3.1 Uси,В 10 Uзи, В Ic, мА 0 –0,2 –0,5 Ic max= –0,7 –1 –1,3 … Uотс= –…max 0 Рис. 3.7 – Изменение свойств источника напряжения V1 и блока «Развертка параметров» Для получения измерений выходного тока на рабочее поле следует добавить таблицу (рис.1.15 и 1.16) из вкладки Компоненты– Диаграммы - Табличная, а для вывода графика стоко-затворной характеристики добавить диаграмму Компоненты–Диаграммы– Декартовая (рис.1.21). 62 Рис. 3.8 – Результаты измерения Рис. 3.9 – Изменение свойств стоко-затворной характеристики 3. Построить график зависимости I c f (U зи ) U си соnst . 4. Графо–аналитическим методом определить крутизну стоко– затворной характеристики S в рабочей точке Uзи = – 0,5 В (рис. 3.2). 5. Установив постоянное значение входного напряжения Uзи = 0 В=V1 (рис. 3.10), снять зависимость выходного тока Iс от выходного напряжения Uси=V2. Результаты измерений занести в таблицу 3.2. Повторить измерения при других значениях Uзи. Uзи, В 0 –0,5 –1 Uси, В Ic, мА Ic, мА Ic, мА 0,2 0,5 0,8 63 1 1,5 5 Таблица 3.2 10 15 Рис.3.10 – Схема исследования выходных характеристик ПТ Рис.3.11 – Изменение параметров блока Развертка параметра и границ выходных характеристик ПТ 6. Построить графики зависимостей I c f (U cи ) U зи соnst . 7. Графо–аналитическим методом определить дифференциальное выходное сопротивление Ri (рис.3.3) в рабочей точке Uзи= –0,5 В, Ucи=10 В и коэффициент усиления по напряжению μ (рис. 3.4). Рис. 3.12 – Результаты измерения 64 Задание 2. Исследование характеристик и параметров МДП– транзистора с индуцированным n–каналом 1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.13. Транзистор BSS123 находится во вкладке Библиотеки-MOSFETs. Рис. 3.13 – Схема исследования стоко–затворных характеристик МДП– транзистора с индуцированным n–каналом 2. Установив постоянное значение выходного напряжения Uси=10 В, снять зависимость выходного тока Iс (амперметром Pr1) от входного напряжения Uзи=V1. Определить пороговое напряжение Uпор, при котором ток стока становится отличным от нуля. Результаты измерений занести в таблицу 3.3. Таблица 3.3 Uси, В Uзи, В 0.2 0.5 1 Uпор=… 2 5 10 15 Ic, мА 10 3. Построить график зависимости I c f (U зи ) U соnst . си 4. Графо–аналитическим методом определить крутизну стоко– затворной характеристики S (3.2) в рабочей точке Uзи = 10 В. 5. Установив постоянное значение входного напряжения Uзи=7,5 В, снять зависимость выходного тока Iс от выходного напряжения Uси (рис. 3.14). Результаты измерений занести в таблицу 3.4. Повторить измерения при других значениях Uзи. Таблица 3.4 Uзи, В Uси, В 0,2 0,5 0,8 1 2 5 10 15 Ic, мА 2,5 Ic, мА 5 Ic, мА 7,5 65 6. Построить графики зависимостей I c f (U cи ) U зи соnst . 7. Графо–аналитическим методом определить дифференциальное выходное сопротивление Ri (3.5) в рабочей точке Uзи=5 В, Ucи=10 В и коэффициент усиления по напряжению μ (3.6). Рис. 3.14 – Схема исследования выходных характеристик МДП–транзистора с индуцированным n–каналом Содержание отчета 1. Наименование и цель работы. 2. Схемы включения полевых транзисторов с общим истоком, с указанием полярности питающих напряжений. 3. Экспериментальные данные (табл. 3.1-3.4) и соответствующие им графики зависимостей. 4. Графо–аналитический расчет параметров полевых транзисторов. 5. Выводы по работе. Контрольные вопросы 1. Изобразить структуру полевого транзистора с управляющим р– n–переходом и n–каналом. Объяснить принцип действия. 2. Для полевого транзистора с управляющим р–n–переходом и n– каналом (р–каналом) изобразить схему включения с общим истоком. 3. Изобразить структуру МДП–транзистора со встроенным n– каналом. Объяснить принцип действия. 4. Для МДП–транзистора со встроенным n–каналом (р–каналом) изобразить схему включения с общим истоком. 5. Изобразить структуру МДП–транзистора с индуцированным n– каналом. Объяснить принцип действия. 6. Для МДП–транзистора с индуцированным n–каналом (р– каналом) изобразить схему включения с общим истоком. 66 7. Перечислите основные параметры полевых транзисторов. 8. Для полевого транзистора с управляющим р–n–переходом и n– каналом (р–каналом) приведите стоко-затворные и выходные характеристики. 9. Для МДП–транзистора со встроенным n–каналом (р–каналом) приведите стоко-затворные и выходные характеристики. 10. Для МДП–транзистора с индуцированным n–каналом (р– каналом) приведите стоко-затворные и выходные характеристики. Лабораторная работа 4 Исследование операционного усилителя Цель работы: изучить особенности работы, параметры и частотные характеристики операционного усилителя (ОУ). Исследовать параметры и характеристики инвертирующего усилителя и полосового фильтра, построенных на ОУ. Краткие теоретические сведения Операционный усилитель (ОУ) является Uвх.ни наиболее распространенным типом многофункци∞ Uвых. ональных аналоговых интегральных схем (АИС). Uвх.и Он предназначен для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами (изменяюUвх.ни щихся по закону sin(cos)) при работе в схемах с отUвых. + рицательной обратной связью (ООС). ОУ имеет два Uвх.и – входа и один выход. Входы называются «инвертирующий» и «неинвертирующий». Инвертирующий Рис. 4.1 вход обозначается кружком или знаком минус (рис. 4.1). Название его говорит о том, что выходной сигнал противофазен сигналу, поданному на этот вход. Входным напряжением ОУ будем считать разность потенциалов между входами: (4.1) U вх U ни U и . Основные свойства идеального операционного усилителя: выходное сопротивление равно нулю: Rвых 0; входное сопротивление – бесконечно: Rвх , I вх 0 ; коэффициент усиления бесконечно большой: 67 U вых . (4.2) U ни U и Часто коэффициент усиления выражают в дБ. Коэффициент усиления по напряжению (по току): U I KU вых , K I вых , KU (д Б) 20 lg KU , K I (д Б) 20 lg K I . (4.3) U вх I вх Коэффициент усиления по мощности: P K P вых , K P (д Б) 10 lg K P . (4.4) Pвх Для многокаскадных усилителей коэффициенты усиления n каскадов, выраженные в разах, перемножаются, а выраженные в дБ, складываются: K К К1 К 2 К 3 ... К n , К (дБ) К1 (дБ) К 2 (дБ) ... К n (дБ). R (4.5) Uвх. R1 ∞ В реальном ОУ коэффициент усиления 4 6 Uвых. может достигать K 10 ...10 , входное сопротивление Rвх 1 МОм, коэффициент Рис. 4.2 – Инвертирующий подавления синфазного сигнала КП > 60 дБ. усилитель на основе ОУ. Параметры ОУ позволяют построить на R его основе множество схем, выполняющих различные операции (суммирование, вычиR1 тание, логарифмирование, дифференциро∞ вание, интегрирование и пр.). Рассмотрим Uвых. некоторые из них. Uвх. Инвертирующий усилитель (рис. 4.2) Рис. 4.3 – Неинвертирующий осуществляет усиление аналоговых сигнаусилитель на основе ОУ. лов с поворотом фазы на 1800. Коэффициент усиления определяется внешними резисторами R и R1: R R U вых U вх KU U вх . (4.6) R1 R1 Неинвертирующий усилитель (рис. ∞ 4.3) осуществляет усиление электрических Uвх.1 Uвых. сигналов без инверсии фазы. Сигнал подаUвх.2 ется на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на инвертирующий. Uвх.n Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой: Рис. 4.4 – Сумматор неинвертирующий на основе ОУ. 68 U вых R 1 . (4.7) U вх R1 Если в этой схеме сделать R = 0, R1 , то получится повторитель с KU = 1. Сумматор неинвертирующий (рис. 4.4). Выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений: R (U1 U 2 ... U n )1 R1 .(4.8) U вых n Подбором сопротивлений R и R1 мож- R KU Uвх.1 R1 Uвх.2 R2 Uвх.n Rn ∞ Uвых. Рис. 4.5 – Сумматор инвертирующий на основе ОУ С R ∞ Uвх. Uвых. n но получить сумму U вых U i , а при i 1 неравных входных сопротивлениях – взвешенную сумму. Сумматор инвертирующий (рис. 4.5) осуществляет взвешенное суммирование аналоговых сигналов с поворотом фазы на 1800: n U вых R R i 1 Ui . (4.9) Рис. 4.6 – Интегратор на основе ОУ R С Uвх. ∞ Uвых. Рис. 4.7 – Дифференциатор на основе ОУ i Интегрирующий усилитель (рис. 4.6) получим, включая конденсатор в цепь обратной связи. Выходное напряжение будет пропорционально интегралу от входного напряжения: 1 U вых U вх dt . (4.10) RC Применяют для генерирования линейно изменяющегося напряжения. Дифференцирующий усилитель (рис. 4.7) получим, включая конденсатор на входе, а в цепи обратной связи – резистор. Тогда выходное напряжение будет пропорционально производной от входного напряжения: dU вх U вых RC . (4.11) dt 69 Порядок выполнения работы Задание 1. Исследование зависимости параметров инвертирующего усилителя от сопротивления в цепи обратной связи Рис. 4.8 – Схема исследования инвертирующего усилителя на основе ОУ 1. Пользуясь программой Qucs, собрать схему, изображенную на рис. 4.8. Операционный усилитель можно найти во вкладке Библиотеки – Ideal – OpAmp или во вкладке Компоненты – Нелинейные компоненты – ОУ. Входное сопротивление R1=1 кОм; сопротивление в цепи обратной связи RОС=R2=100 кОм. На источнике напряжения переменного тока выставить переменную, например, u1, а в блоке Развертка параметра указать список значений этого параметра, соответствующий значениям входного напряжения U1 из табл. 4.1. RОС U1, мВ U2 , В Kэксп= –U2/ U1 Kрасч=– RОС/ R0 10 R2=100кОм 50 100 150 200 10 Таблица 4.1 R1=200кОм 50 100 150 200 Задавая значения амплитуды входного напряжения U1 на частоте 1 кГц (её следует выставить и в блоке моделирование на переменном токе и на источнике напряжения), измерить вольтметром амплитуду выходного напряжения U2 (Pr2.v). Повторить измерения при сопро- 70 тивлении в цепи обратной связи RОС=R1=200 кОм. Результаты измерений занести в таблицу 4.1. 2. Рис. 4.9 – Изменение свойств блока «Развертка параметра» и табличной диаграммы 2. По результатам измерений рассчитать и сравнить экспериментальный коэффициент передачи по напряжению Кэксп c расчётным; построить графики зависимостей Кэксп = f(U1) и U2 = f(U1) для двух значений RОС. 3. Добавить блок Моделирование переходного процесса. Рис. 4.10 – Изменение свойств блока «Моделирование переходного процесса» На входе и выходе схемы вставить метки проводника, например, е1 и е2. Добавить диаграмму декартового типа. Наблюдать и зарисовать в отчет друг под другом осциллограммы входного сигнала и выходных при U1=10 мВ (рис. 4.11) и U1=200 мВ. 4. Сформулировать выводы о зависимости коэффициента передачи от сопротивления в цепи обратной связи. Определить верхнюю границу динамического диапазона усилителя, т.е. максимальный уровень входного сигнала, не приводящий к нелинейным искажениям на выходе. 71 Рис. 4.11– Осциллограммы входного и выходного напряжений при U1=10 мВ Задание 2. Исследование зависимости параметров инвертирующего усилителя от частоты входного сигнала 1. Схема исследования представлена на рис. 4.12. Рис. 4.12 – Схема исследования инвертирующего усилителя на ОУ в зависимости от частоты В блоке Моделирование на переменном токе выставить все значения частот, на которых следует провести измерения выходного напряжения из табл. 4.2. При постоянной амплитуде входного сигнала U1 = 10 мВ, измерить вольтметром амплитуду выходного напряжения U2 и сдвиг по фазе φ. Результаты занести в таблицу 4.2. 2. Рассчитать коэффициент передачи К. Пересчитать коэффициент передачи в дБ. Построить амплитудно–частотную характеристику (АЧХ) К=ψ(f). По графику определить предельную частоту усиления 72 fпр, на которой К уменьшается на 3 дБ (в значением на частоте f = 1 кГц. 2 раз) по сравнению с его Таблица 4.2 f, Гц U2 , В K= – U2/ U1 К (дБ)=20 lg K φ,0 φ*,0 = φ – 1800 10 U1 = 10 мВ, R 1= 100 кОм 103 104 fпр= К0=… К0/√2= 105 106 107 Для вывода АЧХ в программе Qucs на схеме добавить диаграмму декартового типа, во вкладке данные выбрать название вольтметра Pr2.v (рис. 4.13), на вкладке Свойства поставить галочку около логарифмической разметки оси Х, а на вкладке границы выставить начальные, конечные значения напряжения и частот с указанием шага (рис. 4.13). Рис. 4.13 – Изменение свойств табличной и декартовой диаграмм (АЧХ) 3. Построить фазо–частотную характеристику=ψ (f). При этом учесть, что выходной ток и напряжение противофазны, поэтому из измеренных значений нужно вычитать 1800. На графике указать предельную частоту. 4. Сделать выводы о том, как изменяются параметры инвертирующего усилителя на основе ОУ с ростом частоты. Задание 3. Исследование полосового фильтра на основе ОУ 1. Собрать схему, изображенную на рис. 4.14. Значения сопротивлений резисторов и конденсаторов, включенных на входе и в цепи обратной связи, должны быть одинаковы. 2. Рассчитать резонансную частоту фильтра по формуле: 73 1 (4.12) 2RC Эту частоту внести в список значений блока Моделирование на переменном токе. 3. С помощью диаграммы (Декартовая) и показаний вольтметра Pr2 снять АЧХ полосового фильтра. Результаты измерений занести в таблицу 4.3. Построить график зависимости К=Uвых/Uвх=ψ(f). Показать на графике резонансную частоту, которая соответствует максимальному значению коэффициента передачи К. f0 Рис. 4.14 – Схема исследования полосового фильтра на основе ОУ Рис. 4.15 – Изменение свойств табличной диаграммы и АЧХ Таблица 4.3 f, кГц 0,01 0,1 1 f0 Uвых К 74 10 100 10 3 104 105 Содержание отчета 1. Наименование и цель работы; 2. Схема исследования инвертирующего усилителя (рис. 4.2); 3. Экспериментальные и расчетные данные (таблицы 4.1 и 4.2); 4. Графики зависимостей U2 = f(U1) и Кэксп = f(U1) при различных RОС; выводы о зависимости коэффициента передачи от сопротивления резистора в цепи обратной связи; 5. Графики зависимостей К=ψ(f) и φ*=ψ(f), на которых указать предельную частоту fпр. 6. Схема исследования полосового фильтра (рис. 4.14); 7. Экспериментальные и расчетные данные (таблица 4.3); 8. График зависимости К=ψ(f) с указанием резонансной частоты f0; 9. Выводы. Контрольные вопросы 1. Дайте определения аналоговых и цифровых интегральных схем. 2. Поясните назначение и принцип построения интегральных операционных усилителей. 3. Сравните параметры идеального и реального ОУ. 4. Начертите схему и объясните назначение и принцип действия входного каскада ОУ – дифференциального усилителя (ДУ). 5. Начертите схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ. 6. Начертите схемы инвертирующего и неинвертирующего сумматоров на основе ОУ. 7. Начертите схемы интегратора и дифференциатора на основе ОУ. 8. Изобразите осциллограммы входного и выходного напряжений для схемы, указанной преподавателем. 9. На вход интегратора (R=0,1 МОм; С=0,2 мкФ) подается синусоидальный сигнал с частотой f=30 Гц и амплитудой входного сигнала Umвх=1 В. Определить амплитуду и форму сигнала на выходе. 10. На вход дифференциатора (R=100 Ом; С=0,1 мкФ) подаются прямоугольные импульсы с амплитудой Umвх=5 В и частотой следования f=5 кГц, время нарастания и спада импульсов tсп=tнр= τ =1 мкс. Реальный импульс трапецеидальный. Определить амплитуду Umвых и форму выходного импульса. 11. Расскажите о параметрах, характеризующих частотные свойства ОУ. Как они изменяются с ростом частоты? 75 Лабораторная работа 5 Изучение вопросов конструирования ИМС Цель работы: изучить конструкции интегральных микросхем и ознакомиться с технологическими процессами их изготовления. Краткие теоретические сведения Интегральная микросхема (ИМС) – это конструктивно законченное изделие, выполняющее определенную функцию (усиление, генерацию, логическую операцию и др.). ИМС отличается большой плотностью упаковки элементов в единице объема. При изготовлении ИС используется групповой метод производства, при котором на одной подложке одновременно изготавливается множество однотипных элементов или целых микросхем, что позволяет получить изделия с одинаковыми параметрами. ИМС классифицируются: по конструктивно–технологическому исполнению на полупроводниковые монолитные (на полевых МДП, КМОП, биполярных транзисторах) и совмещенные, гибридные (толстопленочные и тонкопленочные) и прочие (керамические, пленочные и др.); по степени интеграции – МИС (малые), СИС (средние), БИС (большие), СБИС (сверхбольшие), УБИС (ультрабольшие). Сложность микросхемы характеризуется также плотностью упаковки, т.е. числом элементов в единице объема или на единице площади кристалла (формула 23); по функциональному назначению на аналоговые (усилители, детекторы, генераторы, фильтры, модуляторы и пр.), цифровые (логические, запоминающие устройства, триггеры, регистры и пр.), и т.д. по применяемости в аппаратуре – на ИМС общего (широкого) применения и специального назначения; по способу изоляции между элементами – на схемы с диэлектрической изоляцией, изоляцией p–n–переходом, комбинированной, МДП–технологией и др. Маркировка ИМС состоит из шести элементов, например, как показано на рис. 5.1. 1) Первый N серии5 элемент (буква К 1 55 ЛА 1 К Р 1 118 ПА 1Б «К») – показывает, 1 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 что микросхема Рис. 5.1 предназначена для 76 устройств широкого применения (ИС специального назначения этой буквой не маркируются). Микросхемы, предназначенные для экспорта, перед буквой «К» имеют букву «Э». 2) Второй элемент – это характеристика материала и типа корпуса. А – пластмассовый планарный корпус; Б – бескорпусная микросхема; Е – металлополимерный корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; И – стеклокерамический планарный корпус; М – металлокерамический, керамический или стеклокерамический корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; Н – кристаллоноситель (безвыводной); Р – пластмассовый корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; С – стеклокерамический корпус с двухрядным расположением выводов; Ф – микрокорпус. 3) Третий элемент (одна цифра) указывает группу ИС по конструктивно- технологическому признаку: 1, 5, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 – гибридные 3 – прочие (пленочные, керамические, вакуумные). 4) Четвертый элемент (две или три цифры) – определяет порядковый номер разработки серии. 5) Пятый элемент (две буквы) – обозначают функциональное назначение микросхемы. В зависимости от выполняемых функций микросхемы подразделяются на подгруппы (генераторы, триггеры, усилители и пр.) и виды (табл. 5.1). 6) Шестой элемент – порядковый номер разработки в конкретной серии. Следующие затем буквы от А до Я указывают на разбраковку (допуск на разброс) по электрическим параметрам. Все элементы полупроводниковых монолитных микросхем выполнены полностью в глубине кристалла на основе структур биполярных n+-p-n- или МДП – транзисторов. На поверхности создаются контактные площадки и межсоединения (в процессе металлизации). Кроме этого существует возможность создания полупроводниковых приборов, которых в дискретной электронике нет, например, многоэмиттерный или многоколлекторный транзисторы. 77 Буквенные обозначения функциональных подгрупп ИМС Таблица 5.1 Обозн. Наименование ГГ ГС ГМ Генераторы прямоугольных сигналов синусоидальных сигналов шума Обозн. ЛА ЛЛ ЛН ЛБ Наименование ТВ ТЛ ТМ ТТ Триггеры JK – триггер триггер Шмитта D- триггер Т- триггер Логические элементы И-НЕ ИЛИ-НЕ НЕ И-НЕ/ИЛИ-НЕ ФВ ФЕ ФН ФР Фильтры верхних частот полосовые нижних частот режекторные ПА ПМ ПН ПС ПУ ПФ Преобразователи цифро-аналоговые мощности напряжения частоты уровня фазы УД УЕ УИ УН УС УВ Усилители операционные повторители импульсные низкой частоты дифференциальные высокой частоты ЕВ ЕМ ЕН ЕТ Вторичные ист. питания выпрямители преобразователи стабилизаторы U стабилизаторы I ИР ИМ ИЕ ИД Элементы АЛУ регистры сумматоры счетчики дешифраторы Для того, чтобы изготовить на основе транзисторной структуры резистор, нужно выводы сделать из одного из слоев транзистора. Для получения резисторов с малыми номиналами сопротивлений используют низкоомный эмиттерный слой с ρS=5…15 Ом/□, что дает возможность получить номинальные сопротивления до 3…5 Ом. Удельное поверхностное сопротивление базового слоя ρS=100…300 Ом/□. Поэтому типичное значение максимального сопротивления достигает 20 кОм. Если необходимые сопротивления превышают 50–60 кОм, можно использовать пинч–резисторы, у которых удельное сопротивление слоя составляет ρS =2–5 Ом/□. Максимальное сопротивление может достигать 200–300 кОм даже при простейшей полосковой конфигурации. В качестве резисторов в ИМС на основе МДПтранзисторов используют сопротивление встроенного канала. Выводы делают из областей стока и истока, а затвор в этом случае не изготавливается. Для изготовления конденсаторов на БПТ- транзисторных структурах используется обратное включение одного из p-n-переходов: «эмиттер–база», «база–коллектор», «коллектор-подложка». Емкость 78 такого конденсатора зависит от приложенного обратного напряжения (варикап). МДП-конденсаторы отличаются лучшими электрическими свойствами. Нижней обкладкой служит истоковый n+-слой, верхней – пленка алюминия, слоем диэлектрика – диоксид кремния толщиной 0,05–0,1 мкм. Преимуществом МДП–конденсаторов перед диффузионными является возможность работы при любой полярности напряжения. Добротность МДП–конденсаторов превосходит добротность конденсаторов, выполненных на БПТ. В качестве диодов в полупроводниковых микросхемах используют прямое включение р-n-переходов транзисторных структур: эмиттерный или коллекторный, а также их сочетание. Существует пять возможных вариантов диодного включения транзисторов. В быстродействующих цифровых микросхемах целесообразно использовать диод по схеме Uкб=0, т.к. заряд накапливается только в базе, поэтому время восстановления обратного сопротивления (т.е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально и составляет всего 10 нс. В схемах, где работает эмиттерный переход, напряжение пробоя не превышает 5...8 В, а у диодов на основе коллекторного перехода напряжение пробоя 20...50 В. Параметры схем различны, так как концентрация примесей (а значит и носителей) больше в эмиттерном переходе, и площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного. Все элементы полупроводниковой микросхемы находятся внутри одного кристалла, близко расположены друг к другу и пр. поэтому они должны быть изолированы друг от друга. Самый естественный способ – изоляция диэлектриком, когда каждый элемент размещается в отдельном диэлектрическом кармане. Диодная изоляция (обратно смещенным p-n–переходом) предполагает, что на подложке всегда самый низкий потенциал, поэтому р-n-переходы между коллекторными областями и подложкой всегда закрыты. Качество изоляции в этой структуре хуже, чем в диэлектрической, но технологические преимущества обусловили ее широкое применение. Лучшими характеристиками обладает изоляция p-n-переходом со скрытым n+– слоем. Скрытый n+– слой уменьшает сопротивление коллектора, что является преимуществом планарно-эпитаксиальной структуры. В современных ИМС на БПТ применяется комбинированная изоляция, сочетающая изоляцию диэлектриком (диоксидом кремния) по вертикали и р-nпереходом, смещенным в обратном направлении, по горизонтали. В совмещенных полупроводниковых ИМС – активные элементы (транзисторы и диоды) изготавливаются в глубине полупроводниково- 79 го кристалла, а пассивные (резисторы и конденсаторы) – пленочными на поверхности кристалла. Гибридная ИМС выполняется на диэлектрической (стеклянной или керамической) подложке. В качестве пассивных элементов используются пленочные резисторы и конденсаторы, а в качестве активных – дискретные бескорпусные навесные транзисторы и диоды. Пленочный резистор выполнен в виде пленки из резистивного материала с металлическими контактными площадками на концах. При проектировании ГИМС топология резисторов определяется с помощью параметра – коэффициента формы Кф=l/b, численно равного числу квадратов на поверхности резистивного слоя с удельным поверхностным сопротивлением ρs,(Ом/квадрат) и где l и b – длина и ширина резистивного слоя. Конденсатор представляет собой три последовательно нанесенные пленки: металл (алюминий), диэлектрик (диоксид кремния, оксиды алюминия и тантала), металл. При заданной емкости расчет топологии сводится к выбору диэлектрика и нахождению площади верхней пластины S=l×b. Диэлектрик должен выступать за край верхней обкладки на 100...200 мкм. В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды, транзисторы, полупроводниковые ИМС (ОУ, ДУ и пр.), а при нехватке места на подложке и пассивные конденсаторы или резисторы. Порядок выполнения работы 1. Расшифровать маркировку указанной преподавателем интегральной микросхемы, заполнив таблицу 5.2. Таблица 5.2. Элемент маркировки ИМС Расшифровка К– 2– … 2. Начертить принципиальную электрическую схему указанной преподавателем интегральной микросхемы. 3. Выполнить чертёж топологии, указанной преподавателем микросхемы в масштабе 10:1 или 20:1 с обозначением номеров выводов. На первый вывод указывает треугольник – ключ (рис. 5.3). Нумерация выводов идет против часовой стрелки. Указать на топологическом чертеже все элементы и компоненты принципиальной электрической схемы ИМС. 80 Пример чертежа топологии интегральной микросхемы 228 УС 3, принципиальная схема которой изображена на рис. 5.2, приведён на рисунке 5.3. На топологическом чертеже резисторы изображаются площадками с точечным фоном, транзисторы – чистыми площадками в виде квадратов с указанием коллекторов (К) и эмиттеРис. 5.2 – Интегральная микросхема ров (Э), диоды – чистыми 228 УС 3– усилитель каскодный. площадками в виде квадраСхема электрическая принципиальная тов с указанием анодов (А) и катодов (К). Тонкими линиями показываются проволочные соединительные проводники. Плёночные межсоединения и контактные площадки изображаются в виде чистых прямоугольников. Рис. 5.3 – Чертеж топологии интегральной микросхемы 228 УС 3 4. Определить степень и плотность упаковки указанной преподавателем ИМС. Степень интеграции К вычисляется по формуле 81 если lg N целое число, lg N , K lg N 1, если lg N не целое число, где N – количество элементов и компонентов, содержащихся в микросхеме; запись [] обозначает целую часть числа . Таким образом, степень интеграции микросхемы К вычисляется путём округления значения lg N до ближайшего большего целого числа. Плотность интеграции W – число элементов и компонентов микросхемы, приходящееся на единицу площади. Параметр W вычисляется по формуле N W , S где S – площадь микросхемы. Плотность упаковки полупроводниковой интегральной микросхемы обычно измеряется в 1/мм2. В случае гибридной микросхемы, параметр W принято измерять в 1/см2. Содержание отчёта 1. Наименование и цель работы. 2. Расшифровка маркировки заданной ИМС (табл. 5.2). 3. Принципиальная электрическая схема заданной ИМС. 4. Чертёж топологии заданной ИМС с обозначением номеров выводов и указанием всех элементов и компонентов. 5. Расчёт степени интеграции и плотности упаковки микросхемы. Контрольные вопросы 1. Дайте определение полупроводниковой (гибридной, совмещенной) интегральной микросхемы. 2. Перечислите основные параметры микросхем. 5. Расскажите об основных технологических операциях, используемых при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем: фотолитографии, диффузии, ионной имплантации, эпитаксии, окислении, металлизации. 6. Реализация биполярных и полевых транзисторов в полупроводниковых интегральных микросхемах. 7. Реализация диодов в полупроводниковых интегральных микросхемах. 8. Реализация резисторов и конденсаторов в полупроводниковых интегральных микросхемах. 9. Реализация плёночных резисторов и конденсаторов в гибридных интегральных микросхемах. 10. Типы изоляции элементов интегральных микросхем. 82 Приложение 1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Рис. 5.4 – 2ЛБ173 (К217ЛБ3) – логический элемент «6И–НЕ» (Пунктирными линиями отмечены электрические схемы микросборок – бескорпусных ИМС, включенных в микросхему 2ЛБ173 в качестве навесных элементов) Рис. 5.5 – К218УЕ2 – усилитель–повторитель Рис. 5.6 – К218ЛН1 – логический элемент «НЕ» 83 Рис. 5.7 – К226УН5 усилитель низкочастотный Рис. 5.8 – К218УИ3 – усилитель импульсных сигналов 84 Приложение 2 ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Рис. 5.9 – К218УИ3 Рис. 5.10 – К226УН5 85 Рис. 5.11 – 2ЛБ173 (К217ЛБ3) Рис. 5.12 – К218УЕ2 86 Рис. 5.13 – К218ЛН1 Лабораторная работа 6 Синтез цифровых устройств на основе ЛЭ Цель работы: Освоить синтез цифровых схем с помощью логических элементов «И–НЕ». Изучить работу логических элементов «3И– НЕ», входящих в состав интегральной микросхемы К155ЛА4. Краткие теоретические сведения Цифровыми интегральными схемами (ЦИС) называют микросхемы, работающие с цифровыми сигналами. Обычно используется двоичный код, т.е. сигнал может принимать одно из двух значений, условно называемых логиче+E скими «0» и «1». +E VT 1 Основа большинства ЦИС RК Uвых. – транзисторный ключ (рис. 6.1). Обычно сопротивU RБ вых. VT2 VT ления резисторов RБ и RK Uвх Uвх. подбирают так, чтобы уровни Рис. 6.2 логической единицы на входе Рис. 6.1 и на выходе были одинаковы87 ми. При U вх U 0 транзистор закрыт; ток коллектора мал, но напряжение на выходе соответствует уровню логической единицы и приближается к напряжению питания Е. При U вх U 1 транзистор открыт и насыщен, а выходное напряжение U вых U 0 . Это значит, что транзисторный ключ инвертирует логические сигналы, т. е. является инвертором. Рассмотрим инвертор, построенный на МДП–транзисторах (рис. 9.2). В качестве сопротивления нагрузки используется нагрузочный МДП–транзистор VT1, затвор которого соединяется со стоком, т.е. U зи1 U си1 . Он всегда открыт. Если на входе низкий уровень напряжения U вх U зи2 U 0 , то транзистор VT2 закрыт, ток стока равен нулю. Тогда на выходе ключа будет максимальное напряжение U вых U 1 . Если на вход подан высокий уровень напряжения U зи2 U 1 , то VT2 открыт, его сопротивление мало и через него протекает ток. Напряжение на выходе ключа мало U вых U 0 . Исток +E Рассмотрим инвертор, построенный VT1 на комплементарных МДП–транзисторах Сток (КМДП, КМОП) (рис. 6.3). Он состоит из Uвых. пары транзисторов с различной проводиVT2 Uвх= Uзи мостью канала. При этом затворы p– Исток канального и n–канального транзисторов соединены вместе. Рис. 6.3 Допустим, на вход подано положительное напряжение U вх U 1 , превышающее пороговое. Тогда нижний транзистор открыт. Это же напряжение относительно общей шины приложено к затвору верхнего транзистора, но его исток соединен с положительным полюсом источника питания, поэтому напряжение затвор–исток верхнего (р–канального) транзистора оказывается меньше порогового. При этом верхний транзистор закрыт. На выходе будет очень низкое остаточное напряжение, т. е. U вых U 0 . Поскольку верхний транзистор закрыт, тока практически нет, энергия от источника питания не потребляется. Если на входе низкий уровень напряжения U вх U 0 , то нижний (n–канальный) транзистор закрыт. На затворе верхнего (p–канального) транзистора будет большое отрицательное (относительно истока) напряжение. При этом верхний транзистор от88 крыт. Выходное напряжение почти равно напряжению питания E, что соответствует состоянию логической единицы на выходе U вых U 1 . Размах логического сигнала почти равен напряжению питания, но при любом логическом состоянии ток равен нулю, ибо один из транзисторов закрыт. Эта особенность схем КМДП (весьма малая потребляемая мощность – является большим достоинством по сравнению с ранее рассмотренными схемами). Основная масса ЦИС построена на основе логических элементов (ЛЭ), которые классифицируют, прежде всего, по выполняемым функциям. Все возможные логические функции любого числа логических переменных можно образовать с помощью трех операций: логического отрицания (инверсии, операции НЕ), логического сложения (дизъюнкции, операции ИЛИ) и логического умножения (конъюнкции, операции И). Операция НЕ (инверсия) состоит в том, что входная переменная принимает на выходе инверсное значение. Суть логической операции удобно представлять в виде таблицы истинности, в которой X – входная величина, Y – выходная. Для операции НЕ таблица истинности имеет вид, приведенный на рис. 6.4. В виде формулы операция НЕ записывается так: ___ Y X . (6.1) Верхняя черта здесь обозначает отрицание. Это логическое выражение читается как «Y равно не X». ЛогичеРис. 6.4 ский элемент НЕ имеет только один вход и один выход и обозначается так, как показано на рис. 6.4. Операция И (логическое умножение, конъюнкция): (6.2) Y X1 X 2 . Таблица истинности и условное обозначение элемента 2И показаны на рис. 6.5. Элемент И имеет не менее двух входов и один выход. Операция ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция): (6.3) Y X1 X 2 . Таблица истинности и условное обозначение элемента 2ИЛИ показаны на рис. 6.6. Рис. 6.6 Рис. 6.5 89 Логические элементы реализуют одну или несколько из перечисленных функций. Наибольшее распространение получили элементы И–НЕ и ИЛИ–НЕ. Операция ИЛИ–НЕ: (6.4) Y X1 X 2 . Таблица истинности и условное обозначение элемента 2ИЛИ–НЕ показаны на рис. 6.7. Рис. 6.7 Операция И–НЕ: (6.5) Y X1 X 2 . Таблица истинности и условное обозначение элемента 2И–НЕ показаны на рис. 6.8. Рис. 6.8 Операции ИЛИ–НЕ и И–НЕ являются логически полными. Имея набор только элементов И–НЕ либо ИЛИ– НЕ, можно выполнить любую логическую операцию. Для этого необходимо знать некоторые законы и правила алгебры логики, наиболее применимы из которых правила де Моргана: X X, _________ ___ ___ _________ ___ X 1 X 2 X 1 X 2 , (6.6) ___ X1 X 2 X1 X 2 . Описание лабораторной установки В состав лабораторной установки входят: лабораторный стенд; блок питания; монтажные проводники (7 шт.). Схема лабораторного стенда изображена на его панели, а также на рисунке 6.9. На лабораторном стенде размещены две одинаковые интегральные микросхемы (D1 и D2) типа К155ЛА4, каждая из которых представляет собой три логических элемента «3И–НЕ» (D1.1, D1.2, …, D2.3). Напряжения питания на микросхемы подаются от двух источников постоянного напряжения, входящих в состав блока питания. Блок питания соединён разъёмом с лабораторным стендом. Тумблер включения расположен сбоку на корпусе блока питания. На панели блока питания размещены вольтметры V1 и V2, измеряющие напряжения питания, подаваемые на микросхемы. Эти напряжения составляют 5 В. На панели блока питания размещены также: лампочка «Сеть» (ин90 дикатор включения блока питания) и две красные индикаторные лампочки перегрузки источников напряжения питания. Рис. 6.9 – Схема лабораторного стенда Каждый из используемых в работе логических элементов имеет три входа и один выход. Если сигналы подаются на все три входа логического элемента, то он выполняет логическую операцию «3И–НЕ». Если сигналы подаются только на два входа логического элемента, то он выполняет операцию «2И–НЕ». Если сигнал подаётся на один вход, то логический элемент выполняет операцию «НЕ». На рисунке 6.9 символами у1, у2, у3 обозначены логические величины, соответствующие входным цифровым сигналам U1, U2, U3. Каждая из них может принимать только два значения: 1 («логическая единица») и 0 («логический ноль»). Логической единице соответствует напряжение Uj = 2,5 B, (j = 1, 2, 3); логическому нулю соответствует напряжение Uj = 0 B, (j = 1, 2, 3). Различные комбинации значений величин у1, у2, у3 выбираются с помощью галетного переключателя S1, расположенного на панели лабораторного стенда. Значения, принимаемые величинами у1, у2, у3, можно определить по положению ручки переключателя S1. Каждому из восьми положений ручки соответствует последовательность из трёх цифр. Первая цифра указывает значение 91 величины у1, вторая – значение величины у2, третья – значение величины у3. Кроме того, значения величин у1, у2, у3 можно определить с помощью светоизлучающих диодов HL1, HL2, HL3 (рис. 6.9), расположенных на панели лабораторного стенда. Если, например, светодиод HL1 излучает, то соответствующая ему величина у1 = 1. В противном случае у1 = 0. Аналогичным образом определяются значения величин у 2 и у 3. На панели лабораторного стенда расположены также ключи S2 и S3 (рис. 6.9). Нижнее положение каждого из них соответствует его замкнутому состоянию, верхнее – разомкнутому. Если ключ S2 замкнут, то входной сигнал, соответствующий величине у2, подаётся на вход 2 логического элемента D1.1. Если ключ S2 разомкнут, то данный сигнал, минуя вход 2 логического элемента D1.1, можно подать на вход другого логического элемента (D1.2, D1.3, D2.1, D2.2, D2.3), соединив с помощью монтажного проводника гнездо Х1 с соответствующим этому входу гнездом (Х4–Х6, Х9, Х10, Х13, Х14). Если ключ S3 замкнут, то входной сигнал, соответствующий величине у3, подаётся на вход 13 логического элемента D1.1. Если ключ S3 разомкнут, то данный сигнал, минуя вход 13 логического элемента D1.1, можно подать на вход другого логического элемента. При любых положениях ключей S2 и S3 входной сигнал, соответствующий величине у1, подаётся на вход 1 логического элемента D1.1. Чтобы определить значение сигнала на выходе (Y) какого–либо логического элемента, необходимо соединить соответствующее этому выходу гнездо (Х7, Х8, Х11, Х12, Х15, Х16) с гнездом Х3. Если при этом светодиод HL4 излучает, то данному выходному сигналу соответствует «логическая единица». В противном случае ему соответствует «логический ноль». Порядок выполнения работы 4.1 Синтез цифровых схем с помощью логических элементов «И–НЕ» Функционально полной системой или базисом называется набор логических элементов, используя который можно реализовать любую сложную логическую функцию. Базис И, ИЛИ, НЕ является полным, но не минимальным. Минимальным считают базисы И–НЕ, ИЛИ–НЕ. При синтезе логических схем в заданном базисе логических элементов (например, в базисе И–НЕ) целесообразно предварительно исходное выражение привести к форме, в которой в выражении будут использованы только логические операции, соответствующие используемым логическим элементам в заданном базисе. 92 4.1.1 Разработка схем, выполняющих операции 2И, 3И, 2И–НЕ 1. Записать логическое выражение для той операции, которую нужно реализовать, например, 2И: Y=X1·X2. 2. Преобразовать логическое выражение в базис И–НЕ. Так как операция логического умножения в выражении присутствует и не достает операции инверсии, то по закону двойной инверсии X X , т.е. Y X 1 X 2 X 1 X 2 . 3. Пользуясь преобразованным выражением, определить количество логических элементов, которое потребуется для построения электрической схемы. В рассмотренном примере таких ЛЭ будет два (первый – выполняет операцию 2И– X1 & & НЕ, второй – инвертирует полуY X2 ченное выражение). 4. Изобразить схему, соответствующую выражению. Для рассмотренного примера она «1 » Рис. 6.10 приведена на рис. 6.10. 5. Повторить п.1–4 для операций 3И, 2И–НЕ. 4.1.2 Разработка схем, выполняющих операции 2ИЛИ, 2ИЛИ– НЕ, 3ИЛИ, 3ИЛИ–НЕ 1. Записать логическое выражение для той операции, которую нужно реализовать, например, 2ИЛИ–НЕ: _________ Y X1 X 2 . 2. Преобразовать логическое выражение в базис И–НЕ. Пользуясь правилом де Моргана (6.6) изменить знак дизъюнкции на знак конъюнкции: _________ X1 X2 & & & Y & Рис. 6.11 ___ ___ X 1 X 2 X 1 X 2 . Далее следует снова воспользоваться правилом двойной инверсии: ___ __ __ __ X X , т. е. Y X 1 X 2 X 1 X 2 93 3. Пользуясь преобразованным выражением, определить количество логических элементов, требуемое для построения электрической схемы. В рассмотренном примере таких ЛЭ будет четыре (два инвертора входных сигналов, третий – выполняет операцию 2И–НЕ, четвертый–инвертирует полученное выражение). 4. Изобразить схему, соответствующую выражению. Для рассмотренного примера она приведена на рис. 9.11. 5. Повторить п.1–4 для операций 2ИЛИ, 3ИЛИ, 3ИЛИ–НЕ. 4.1.3 Разработка схемы для реализации неуниверсальной логической функции трёх аргументов F 1. Записать логическое выраX1 жение для той операции, которую & & нужно реализовать, например: ___ ___ Y X1 X 3 X 2 X 3 . 2. Преобразовать логическое выражение в базис И–НЕ. Воспользоваться правилом двойной инверсии и правилом де Моргана (6.6): _______________________ _______________________ ___ ___ X3 X2 Y & & _______________________ _________ ___ ___ ___ ___ Рис. 6.12 _______________________ __________ ___ ___ Y X1 X 3 X 2 X 3 X1 X 3 X 2 X 3 X1 X 3 X 2 X 3 3. Пользуясь преобразованным Таблица 6.1 выражением, определить количевариант Логическое выражение ство логических элементов, требу1 Y X1 X 2 X 3 ющихся для построения электри________ ческой схемы. В рассмотренном Y X1 X 2 X 3 2 примере таких ЛЭ будет четыре _______ ___ (два инвертора входных сигналов, Y X1 X 2 X 3 X 2 3 третий – выполняет операцию 2И– ____________ ___ НЕ, четвертый – операцию 3И–НЕ). 4 Y X1 X 2 X 3 X 3 4. Изобразить схему, соответ___ ___ ствующую выражению. Составить 5 Y X 1 X 2 X 3 таблицу истинности. Для рассмотренного примера схема приведена на рис. 6.12. 5. Повторить п.1–4 для операции, заданной логическим выражением, приведенным в таблице 6.1, согласно заданному варианту. 94 В случае, если функция задана таблицей истинности, то для ее минимизации можно воспользоваться картой Карно для трех аргументов (например, варианты из табл. 6.2 для значений аргументов двоичных переменных ВСD) (N=22B+21C+20D) (пример см. п. 4.1.5). Рис. 6. 13 – Минимизация функции с помощью карт Карно для 3–х аргументов 4.1.4 Разработка схем на элементах 3И-НЕ, выполняющих универсальную функцию четырёх и более аргументов Если требуется составить схему с количеством входов больше, чем у логического элемента, перед переводом в нужный базис исходное выражение следует разбить таким образом, чтобы число сомножителей (слагаемых) соответствовало числу входов в ЛЭ. Пример: на элементах 3И–НЕ построить схему, выполняющую операцию 5И. _________________________ _________________________ Y X1 X 2 X 3 X 4 X 5 X1 X 2 X 3 X 4 X 5 _________________________ _____________ ________ _____________ _____________ ________ ________ _________________________ _________________________ _____________ ________ _____________ ________ X1 X 2 X 3 X 4 X 5 X1 X 2 X 3 X 4 X 5 X1 X 2 X 3 X 4 X 5 Видим, что для построения схемы потребуется шесть логических элементов 3И–НЕ (рис.6.14). X1 X2 X3 & X4 X5 & «1» & & & Y & Рис.6.14 Разработайте схему, выполняющую оду из операций: 4И, 4ИЛИ, 4ИЛИ-НЕ, 4И-НЕ, 5ИЛИ, 5ИЛИ-НЕ на элементах 3И-НЕ. 95 4.1.5 Разработка логической схемы для реализации частично определённой логической функции F четырёх аргументов Каждая комбинация значений аргументов двоичных переменных АВСD задается числом N=23A+22B+21C+20D. Минимизацию логической функции будем производить с помощью карт Карно (или диаграмм Вейча). Рассмотрим пример решения поставленной задачи для варианта «0» из таблицы 6.2. Символом «Х» обозначено безразличное состояние устройства. Логическое выражение, описывающее работу логической схемы, представляет собой _ _ _ _ _ сумму минтермов: _ _ _ F A BCD ABC D ABCD A B CD A BCD . Минимизируем полученное выражение с помощью карт Карно (рис. 6.15) или диаграммы Вейча (рис. 6.16). Заносим значения функции в клетки, соответствующие номеру состояния (номеру Таблица 6.2 минтерма). ОхватыN Значение F ваем контурами все (варианты) клетки, которые со№ А В С D 0 1 2 3 4 5 держат единицы. 0 0 0 0 0 X X 0 0 X 1 Напомним, что объ1 0 0 0 1 0 0 X 0 0 X единять можно 2, 4, 2 0 0 1 0 0 1 1 0 X 0 8, 16 ячеек, которые 3 0 0 1 1 1 1 1 X 0 X могут быть располо4 0 1 0 0 0 0 X X 1 0 5 0 1 0 1 X X 0 1 0 0 жены не только по 6 0 1 1 0 1 1 0 X 0 X соседству, но и на 7 0 1 1 1 1 0 1 0 X 0 противоположных 8 1 0 0 0 0 X 1 X X 1 сторонах. Одна и та 9 1 0 0 1 1 0 X X X X же ячейка может 10 1 0 1 0 X X 1 1 1 1 входить в различные 11 1 0 1 1 1 X X 0 1 1 контуры. Контур 12 1 1 0 0 0 1 0 X 1 X должен быть как 13 1 1 0 1 X 0 0 1 X X можно больше, а 14 1 1 1 0 X 1 X 1 1 0 число контуров 15 1 1 1 1 X X X 1 0 1 должно быть минимально. В контур нельзя включать ячейки, содержащие нули. В обоих случаях получаем: F AD BC CD . Преобразуем выражение в базис И–НЕ, пользуясь законами двойной инверсии и законами __________ де Моргана. _____ ______________ _______________ ___ ____ ____ F AD BC CD AD BC CD AD BC CD 96 Электрическая схема, соответствующая полученному выражению, изображена на рис. 6.17. Она построена на элементах 3И–НЕ. Минимизируем полученное выражение с помощью карт Карно (рис. 6.15) или диаграммы Вейча (рис. 6.16). Электрическая схема на элементах 3И–НЕ, соответствующая полученному выражению, изображена на рис. 6.17. Варианты заданий приведены в таблице 6.2. Рис. 6.15 – Минимизация логических выражений с помощью диаграмм Вейча Рис. 6.15 – Минимизация логических выражений с помощью карт Карно А ВС D & & F & & «1» Рис.6.17 4.2 Реализация цифровых схем с помощью набора логических элементов «3И–НЕ» с использованием лабораторной установки Внимание! При выполнении работы необходимо соблюдать следующие правила. — Не перемещать лабораторную установку после включения блока питания, во избежание нарушения контакта между блоком питания и лабораторным стендом. 97 — Напряжения питания интегральных микросхем D1 и D2, регистрируемые вольтметрами V1 и V2, расположенными на панели блока питания, не должны превышать 5,5 В. В противном случае следует выключить блок питания тумблером, расположенным сбоку на его корпусе. — При загорании красных индикаторных лампочек перегрузки источников напряжения питания следует выключить блок питания. Из одного или нескольких логических элементов «3И–НЕ» (D1.1, D1.2, D1.3, D2.1, D2.2, D2.3), расположенных на панели лабораторного стенда (рис. 6.9), с помощью монтажных проводников необходимо собрать схемы, выполняющие логические операции НЕ, 2И–НЕ, 2И, 2ИЛИ, 2ИЛИ–НЕ, 3И–НЕ, 3И, 3ИЛИ, 3ИЛИ–НЕ и одно из логических выражений, заданных в таблице 6.1. Приведем пример выполнения задания для операции 2И. Блок питания следует включить тумблером, расположенным сбоку на корпусе блока питания, после чего должна загореться индикаторная лампочка «Сеть» на панели блока питания. Напряжения источников питания логических элементов, регистрируемые вольтметрами V1 и V2, расположенными на панели блока питания, должны составлять 5 0,5 В. Собрать схему, выполняющую логическую операцию операцию «2И» (рис. 6.10) для чего замкнуть ключ S2, переведя его в нижнее положение. Разомкнуть ключ S3, переведя его в верхнее положение. При этом сигналы, соответствующие величинам Х1 и Х2, подаются на входы 1 и 2 логического элемента D1.1. Выход логического элемента D1.1 подключить ко входу 3 логического элемента D1.2, соединив с помощью монтажного проводника гнёзда Х7 и Х9 (рис. 6.9). Выход логического элемента D1.2 подключить к светоизлучающему диоду HL4, соединив с помощью монтажного проводника гнёзда Х11 и Х3. Сигнал на выходе логического элемента D1.1 соответствует операции Х1 Х 2 . Сигнал на выходе логического элемента D1.2 соответствует операции Х 1 Х 2 (двойное отрицание логического произведения величин X1 и X2). Используя правило (6.6), имеем X1 X 2 X1 X 2. Выбирая с помощью галетного переключателя S1 различные комбинации значений входных сигналов, соответствующих величинам X1 и X2, убедиться в том, что собранная схема, изображённая на рисунке 9.10, выполняет логическую операцию 2И. Составить (проверить) таблицу истинности (рис. 6.5). 98 Содержание отчета 1. Название, цель работы. 2. Логические выражения универсальных функций (2И, 3И, 2И– НЕ, 2ИЛИ, 2ИЛИ–НЕ, 3ИЛИ, 3ИЛИ–НЕ), преобразованные в базис И– НЕ, соответствующие им схемы, реализованные на логических элементах 3И–НЕ и соответствующие им таблицы истинности. 3. Логическое выражение функции, заданной вариантом в таблице 6.1, преобразованное в базис И–НЕ; соответствующая ему схема, реализованная на логических элементах 3И–НЕ; соответствующая ему таблица истинности. 3. Логическое выражение функции, заданной вариантом в таблице 6.2, минимизированное с помощью карт Карно или диаграмм Вейча, преобразованное в базис И–НЕ; соответствующая ему схема, реализованная на логических элементах 3И–НЕ. Контрольные вопросы 1. Запишите аксиомы и тождества алгебры логики. 2. Приведите отечественные и зарубежные условные графические обозначения логических элементов. 3. Графический способ минимизации логических выражений. 4. Аналитический (алгебраический) способ минимизации логических выражений. 5. Порядок реализации цифрового устройства, описываемого частично определенной логической функцией. 6. Составьте таблицу истинности логического элемента И (ИЛИ, ИЛИ–НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И–НЕ. 7. Объясните принцип действия логического элемента ТТЛ (ДТЛ, ЭСЛ). 8. Объясните принцип действия ЛЭ на КМОП–транзисторах, выполняющего операцию И–НЕ (ИЛИ–НЕ). 9. Объясните принцип действия ЛЭ на МДП–транзисторах, выполняющего операцию И–НЕ (ИЛИ–НЕ). 99 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23 Формат 60х84/16 Усл. печ. л. 5,75 100
