Вопросы и контрольные задания (задачи) по дисциплине «Электроника» 1. Вопросы, подлежащие изучению

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "Вопросы и контрольные задания (задачи) по дисциплине «Электроника» 1. Вопросы, подлежащие изучению"

Транскрипт

1 Вопросы и контрольные задания (задачи) по дисциплине «Электроника» 1. Вопросы, подлежащие изучению 1. Собственные полупроводники. Зонная диаграмма, условия термодинамического равновесия и эклектической нейтральности и основные процессы. 2. Примесные полупроводники р-типа. Зонная диаграмма, условия термодинамического равновесия и эклектической нейтральности и основные процессы. 3. Примесные полупроводники n-типа. Зонная диаграмма, условия термодинамического равновесия и эклектической нейтральности и основные процессы. 4. Образование контактной разности потенциалов. Р-n переход в состоянии равновесия. 5. р-n переход при прямом смещении. Токи, зонная диаграмма и ширина перехода. 6. р-n переход при обратном смещении. Токи, зонная диаграмма и ширина перехода. 7. Модель р-n перехода. Барьерная и диффузионная емкости. 8. ВАХ диода и ее зависимость от температуры, материала и концентрации примеси. Уравнение Шокли. 9. Пробои р-n перехода. 10. Диод Шоттки. ВАХ и принцип работы. 11. Виды полупроводниковых диодов: выпрямительный, стабилитрон, варикап. ВАХ, УГО, принцип работы. 12. Биполярный транзистор. Принцип действия, УГО, режимы работы. 13. Работа БТ в схеме включения с общей базой. Входные и выходные характеристики. 14. Работа БТ в схеме включения с общим эмиттером. Входные и выходные характеристики. 15. Параметры БТ. Модель Эберса-Молла. 16. Структура Металл-Диэлектрик-Полупроводник. Эффект поля. 17. Принцип действия МДП транзистора, эффект модуляции длины канала, УГО и параметры. 18. МДП-транзистор со встроенным каналом. УГО, статические характеристики. 19. МДП-транзистор с индуцированным каналом. УГО, статические характеристики. 20. Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом. УГО, принцип действия и статические характеристики. 21. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Фоторезистор, фотодиод и фототранзистор. ВАХ, УГО, принцип работы. 22. Оптоэлектронные пары. ВАХ, УГО, принцип работы. 23. Основные технологические операции при формировании интегральных схем. Фотолитография, легирование, эпитаксия, окисление, металлизация. 24. Методы изоляции элементов интегральных схем. 25. Пассивные интегральные элементы: резистор, конденсатор и диод. Особенности конструкции изготовления и параметры. 26. Активные интегральные элементы: полевые и биполярные транзисторы. Особенности изготовления и параметры. 27. Частотные свойства БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. 28. Импульсные свойства и переходные процессы в БТ. Переходные процессы в БТ. 29. Импульсные свойства полевых транзисторов. Переходные процессы в ПТ. 30. Принцип работы простейшего ключа на основе БТ. Нагрузочная прямая. 31. Принцип работы простейшего ключа на основе ПТ. Нагрузочная прямая. 32. Логические элементы интегральных микросхем. Параметры логических элементов. 33. Инвертор на основе МДП транзистора с резистивной нагрузкой. Схема, нагрузочная характеристика, принцип работы. 1

2 34. Инвертор на основе МДП транзистора с динамической нагрузкой. Схема, нагрузочная характеристика, принцип работы. 35. Ключ на комплементарных МДП-транзисторах. Схема, нагрузочная характеристика, принцип работы. 36. Простейший элемент на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Схема, принцип работы. 37. ТТЛ элемент с повышенной помехоустойчивостью. Схема, принцип работы. 38. ТТЛ элемент со сложным инвертором. Схема, принцип работы. 39. Дифференциальный каскад на БТ. Схема, принцип работы. 40. Операционный усилитель на БТ. Структурная схема, УГО, принцип работы, параметры. 41. Работа операционного усилителя в инвертирующем включении. Схема, параметры. 42. Работа операционного усилителя в неинвертирующем включении. Схема, параметры. 2. Основные вопросы курса «электроника» 1.p-n переход. Работа и характеристики. Использование в качестве диода и варикапа. 2.Работа биполярного транзистора для схемы с общей базой и с общим эмиттером. Характеристики и основные параметры. Определение h-параметров. Работа биполярного транзистора с активным сопротивлением в цепи коллектора. Особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах. Ключевой режим. 3.Полевые транзисторы и их характеристики. Транзисторы с p-n переходом и МДП с индуцированным каналом. 4.Различие гибридных и полупроводниковых интегральных схем. Пассивные элементы в гибридных схемах. Структура и изоляция элементов в полупроводниковых интегральных схемах. 5.УПТ и дифференциальные усилители. 6.Схема ТТЛ. 7. МДП и КМДП элементы и схемы Основные задания 3. Контрольные задания и задачи 2

3 3

4 4

5 Вариант U 1 U 2 U 3 Фазы сигналов U 1, U 2, U Схемы для решения задач а) б) Рис. 1. Схемы логических элементов к задаче 1 ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ на исправления красным (красное это верно) рис. 1,б. Эту неточность можно обнаружить в старых методических указаниях к решению такого вида задач. 5

6 Рис. 2. Схема логического элемента ТТЛ к задаче 2 6

7 Рис. 3. Варианты схем к задаче Методика решения задач Методика решения вышеуказанных задач рассматривается в учебном пособие [2], указанном в списке дополнительной литературы, и в конспекте лекций [4], название которого приводится в списке основной литературы. Список литературы приводится ниже Дополнительные контрольные задания и методические указания к их выполнению Общие указания Контрольные задания охватывают наиболее важные вопросы курса «Электроники». В задаче I необходимо провести расчет основных параметров 7

8 электронного прибора по его вольт-амперной характеристике, в задаче 2 - определить основные параметры транзистора для схемы включения с общим эмиттером или общим истоком в активном и ключевых режимах. Задача 3 посвящена анализу и синтезу цифровых схем, построенных на интегральных логических элементах. Студенту предстоит защита контрольной работы, на которой он должен быть готов дать разъяснения по решению всех задач и по работе над ошибками, проделанной им по замечаниям рецензента. Выбор варианта Исходные данные к заданиям для контрольной работы 2 определяются двумя последними цифрами студенческого билета и таблицами с исходными данными в соответствующей задаче. Требования к оформлению работ 1.На титульном листе работы указывается ФИО студента и номер студенческого билета 2. Для замечаний преподавателя на каждой написанной странице оставляют поля шириной 3-4 см. Все страницы нумеруются. 3.Графики и чертежи выполняются с соблюдением правил черчения и ГОСТа, желательно на миллиметровой бумаге. Рисунки могут быть выполнены карандашом. Все чертежи, рисунки, таблицы должны быть пронумерованы 4.Расчетные формулы должны сопровождаться объяснением буквенных обозначений. Все числовые данные необходимо подставить только в основных единицах (вольт, ампер и т.д.). Окончательный результат может быть выражен в производных единицах (килоом, миллиампер). 5.В конце работы указывается использованная литература, список которой составляется в соответствии с ГОСТом. 6.Работа должна быть подписана с указанием даты. 8

9 Задача I. 1. Найти среди рис вольт-амперную характеристику (ВАХ) заданного типа электронного прибора (ЭП). 2. Определить в обеих заданных точках ВАХ: а)ток или напряжение на ЭП, если заданы соответственно напряжение или ток; б)сопротивление ЭП постоянному току - R o ; в)дифференциальное сопротивление ЭП -. Кратко описать типовые применения данного ЭП. Условия для расчета определяются табл. I и табл. 2. Задача 2 1. Найти среди рис статические характеристики заданного типа транзистора (схема включения - общий эмиттер для биполярного транзистора, общий исток для полевого). 2. На выходных характеристиках транзистора построить нагрузочную прямую и при заданном положении рабочей точки определить выходной ток 1 0, выходное напряжение U o и падение напряжения U R на нагрузочном сопротивлении R. 3. Определить в рабочей точке малосигнальные дифференциальные параметры транзистора. В вариантах с биполярным транзистором рассчитываются, h 11, h 21,h 22, с полевым - S ; R i ;. 4. В случае использования транзистора в низкочастотном усили тельном каскаде найти его основные малосигнальные параметры в рабочей точке при сопротивлении источника сигнала R r = IOКOM. В вариантах с биполярным транзистором определяется R вх, R вых, К u, с полевым транзистором определяется R вых, К u и характеризуется величина R вх. 5. В случае использования транзистора в качестве ключа найти условия получения в нем состояний отсечки и насыщения, выходные напряжение и ток в состоянии отсечки U omc, I omc, выходные напряжение и ток в состоянии насыщения U нас, I нас Условия для построений и расчетов определяются данными табл.3 и табл. 4. 9

10 10

11 11

12 12

13 Таблица 1 Задание Последняя цифра номера студенческого билета 0 I Тип электронного прибора Точечный ДИОД Мощный выпрямительный Стабилитрон диод Динистор Окружающая температура Положение на ВАХ расчетных точек Заданные электрические величины (см. табл. 2) Прямая ветвь 2.Обратная ветвь Прямое напряжение U пр, обратное напряжение U обр Прямое напряжение U пр, обратный ток I обр 1. Прямая ветвь, включенное состояние 2.Обратная ветвь Прям.ток I пр.вкл, обр.напр. U обр 1.Прямая ветвь, включенное состояние 2.Прямая ветвь, включенное состояние Прямой ток I пр.вкл, прям.напряжение U пр.вкл Таблица 2 Задание Последняя цифра номера студенческого билета 0 I U пр, В 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,4 0,45 0,5 0,55. 0,6 U обр, В I обр, ма I пр.вкл, ма U пр.вкл, В

14 Таблица 3 Задание Тип транзистора Напряжение источника питания Е, В Предпоследняя цифра номера студенческого билета биполярный полевой с управляющим р-п переходом Нагрузочное сопротивление R, ком 1 1,25 1,5 1, ,25 1,5 1,75 2 Чем определяется рабочая точка (см. табл. 4) I б U зи Таблица 4 Задание Последняя цифра номера студенческого билета 0 I Ток базы I б, мка Напряжение затвор-исток U зи, В -0, ,25-1,5-2 -0, ,25-1,5-2 14

15 Методические указания к выполнению задач Задача 1 Для решения задачи I необходимо ознакомиться с основными свойствами и применением двухполюсных полупроводниковых ЭП - разновидностями диодов, стабилитроном, динистором (неуправляемым тиристором). Необходимая вольт-амперная характеристика (ВАХ) должна быть аккуратно перенесена на кальку или скопирована другим способом. На ВАХ выполняются построения, обозначаются величины токов и напряжений, а также указывается, какой температуре эта ВАХ соответствует. Этапы решения должны быть пояснены. Пусть ВАХ заданного ЭП при заданной температуре имеет вид рис. 9 (триодный тиристор при постоянном токе управляемого электрода), а остальная часть задания определяется из табл. 1 и 2 по двум последним цифрам номера студенческого билета В этом случае задано: I пр.вкл = 36 ма U пр.вкл =110 В 15

16 Для расчета дифференциального сопротивления построим около заданных точек прямоугольные треугольники, катеты которых будут равны приращениям напряжения U и тока I Треугольники должны быть достаточно малыми для того, чтобы их гипотенузы, являющиеся участками ВАХ, можно было считать отрезками прямых линий. Выполнив построения, найдем: В качестве указания на типовые применения тиристора можно назвать выпрямление переменного тока и коммутацию в электрических цепях. Выпрямление возможно благодаря его вентильным свойствам, видным из приведенного расчета. Коммутация возможна благодаря тому, что тиристор при прямом напряжении может находиться как во включенном, так и в выключенном состояниях, при которых его сопротивления также значительно отличаются. Следует иметь в виду, что в обозначениях токов и напряжении тиристора индексы "вкл", "выкл" в литературе обычно используются в ином значении. Например, U вкл обозначает то прямое напряжение, при котором происходит отпирание тиристора. Задача 2 Для решения задачи 2 необходимо изучить принцип работы и способы описания электрических, свойств биполярного и полевого транзисторов, ознакомиться с принципами использования биполярных и полевых транзисторов в усилительных каскадах и в качестве ключей. 16

17 Указания п.п, 1, 2, 3 задания Пусть необходимые статические характеристики имеют вид рис. 10 и рис. II (МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа). 17

18 На рис. 10 на примере варианта 88 построены нагрузочная прямая и рабочая точка А, что позволяет графически найти требуемые в п. 2 величины: Построив в рабочей точке на выходных характеристиках треугольник, можно определить внутреннее сопротивление: В С D Необходимо понимать, что использование имеющейся -стокозатворной (а в случае биполярного транзистора - входной) характеристики вполне допустимо, даже если указанное на ней напряжение U CИ (U КЭ ) отличается от необходимой величины ( U 0 ). Возникающая при этом погрешность очень невелика из-за слабого влияния выходного напряжения на величину выходного тока в усилитель ном режиме. Поскольку дифференциальные параметры полевого транзистора взаимно связаны, коэффициент усиления может быть рассчитан, исходя из величин R i и S: Указания к п.п. 4.5 задания Вполне достаточную в большинстве случаев точность дают следующие приближенные выражения. 18

19 В состоянии отсечки транзисторный ключ с биполярным транзистором находится при =0. В этом случае: где тепловой ток коллекторного перехода. Ключ с полевым транзистором с р-п переходом находится в состоянии отсечки, если Состояние насыщения в биполярном ключе достигается, при увеличении базового тока до величины, а в ключе на полевом транзисторе с р-п переходом - при уменьшении абсолютной величины напряжения на затворе до напряжения U зи нас. В обоих случаях рабочая точка смещается по нагрузочной прямой до линии, разделяющей области активного режима и область включенного состояния ключа (пунктирная линия на выходных характеристиках). В рассмотренном выше примере полевого МДП транзистора (рис. 10) искомые параметры составляют величины: Недостающая выходная характеристика, в данном случае при Uзи = 4,5 В, может быть построена исходя из того, что близлежащие выходные характеристики практически параллельны, а расстояния между ними пропорциональны, выходному току. 19

20 Задача 3 Дана цифровая схема рис. 12, построенная на трехвходовых логических элементах И-НЕ (для студентов с четными номерами студенческих билетов) или ИЛИ-HE (с нечетными номерами). На входы схемы поданы сигналы уровня 0 и I, которые образуют 7-разрядное двоичное число X 6 X 5...Х 0, соответствующее десятичному числу, составленному из двух последних цифр номера студенческого билета. Требуется: -записать аналитическое выражение у = f (X 0,X 1...X 6 ) для выходного сигнала схемы; -реализовать полученное аналитическое выражение для выходного сигнала на логических элементах ИЛИ-HE (для студентов с четными номерами студ.билетов) либо И-НЕ (с нечетными номерами); определить уровни сигналов на выходах всех логических элементов схем. Методические указания к выполнению задачи 3 Перед решением задачи необходимо познакомиться с разделом курса "Логические элементы". Начать решение следует с перевода в двоичную систему счисления десятичного числа, составленного из двух последних цифр студенческого билета (если это 00, то считать, что число равно 100). Процедуру перевода покажем на примере 3-разрядного десятичного числа, например 123: 20,

21 где 10 - основание системы счисления, а коэффициенты ( i =0,1,2) могут принимать значения от 0 до 9. В двоичной системе счисления трехзначное десятичное число 123 запишется следующим образом: где 2 - основание системы счисления, а коэффициенты (i =0 6) могут принимать только два значения 0 или 1. Коэффициенты можно найти, воспользовавшись следующей несложной процедурой деления десятичного числа на 2;, Проверим: Таким образом, Полученный результат следует записать в виде табл. 5. Если при преобразовании получится двоичное число с числом разрядов меньше 7, то недостающие старшие разряды в табл. 5 (X 6,X 5 и т.д.) надо заполнить нулями. Анализ цифровой схемы проведем на примере схемы рис. 13 для нечетного номера студенческого билета. Схема составлена из двухвходовых логических элементов ИЛИ-НЕ (элементы Пирса). Логическую функцию, которую реализует эта схема, необходимо будет получить на элементах И-НЕ (элементы Шеффера). 21

22 На рис. 14 приведены условные обозначения 2-входовых элементов И-НЕ и ИЛИ-HE, а также их таблицы истинности, в которых указаны все возможные комбинации сигналов на входах и соответствующие им сигналы на выходе. С помощью таблицы истинности определяют сигналы на выходе каждого логического элемента последовательно слева направо, обязательно записывая их, как это показано на рис. 13. Следует обратить внимание на то, как на элементах ИЛИ-НЕ можно реализовать логическую функцию ИЛИ (см. соединение элементов 1 и 3 или 2 и 4) и логическую функцию НЕ-инверсию (см. элементы 3 или 4). Логическую функцию y, соответствующую схеме рис. 13, можно реализовать на одном 4-входовом логическом элементе ИЛИ-HE (рис. 15). Для перевода схемы из базиса ИЛИ-HE в базис И-НЕ или наоборот необходимо воспользоваться соотношениями алгебры логики. 22

23 Из этой записи видно, что функцию у можно реализовать в базисе И-НЕ или на 2-входовых элементах (рис. 16) или на 4-входовых элементах (рис. 17). 23

24 3. Литература по курсу «Электроника» Основная литература: 1. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П., Основы полупроводниковой электроники М.: Горячая линия Телеком, Режим доступа: ЭБС МТУСИ 2. Николотов В.И. Методические указания и контрольные задания по дисциплине «Физические основы электроники» / МТУСИ. М., с. Режим доступа: ЭБС МТУСИ. 3. Власов В.П., Каравашкина В.Н., Аринин О.В., Практикум по курсу «Электроника» / МТУСИ. М., ЭБС МТУСИ. 4. Туляков Ю.М.Конспект лекций по курсу «Электроника». ВВФ МТУСИ. Н.Новгород г. Дополнительная литература: 1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н.Д. Федорова. М.: Радио и связь, с. 2. Николотов В. И. Электроника: Учебное Пособие. М.: Информсвязьиздат, 2004 Режим доступа: ЭБС МТУСИ 3. Методические указания «Электроника в вопросах и ответах» авторов Аристархов Г.М., Берендеева Г.С., Власов В.П. и др. М.: Инсвязьиздат, с. Режим доступа: ЭБС МТУСИ. 4. Власов В.П., Каравашкина В.Н. Физические основы электроники: учебное пособие/ МТУСИ. М.; Режим доступа: ЭБС МТУСИ 24 Составил Туляков Ю.М.