Электроника. Элементная база электроники

1.

ЭЛЕКТРОНИКА

2.

Электроника это наука,
изучающая:
• Явления, происходящие в веществе под
действием внешних факторов
• Элементы, работающие на использовании
этих явлений
• Электронные
устройства,
схемы,
составленные с использованием элементов
электроники

3.

Элементная база электроники
делится на:
Электровакуумные приборы - работают на явлении термоэлектронной
эмиссии.
Газоразрядные приборы - работают на явлении электрического
разряда в газах.
Полупроводниковые приборы - работают на явлении проводимости
полупроводников.
Фотоэлектронные приборы - работают на явлениях внешнего и
внутреннего фотоэффекта.
Микросхемы

4.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ

5.

Проводимость
полупроводников
Полупроводниками называют вещества,
проводящие
электрический
ток
при
определенных
условиях.
К
полупроводникам
относятся
все
элементы 4-й группы таблицы Менделеева

6.

Собственная проводимость
-
Si
-
-
-
-
Si
+Si
-
-
-
-
-
Si
+-
-
--
-
Si
Si
-
-
-
-
-Si
-
-
Si
-
-
-
-
Si
--
-
-
-

7.

При добавлении 3-х валентной примеси (In) p-тип
-
Si
-
-
-
-
Si
Si
-
-
-
-
-
Si
-
--
--
-
Si
-+
+
In
Si
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
--
-
-
-

8.

При добавлении 5-валентной примеси (n-тип)
-
-
-
-
--
- - Si
Si
Si
Si
As
Si
Si
Si
Si

9.

Образование p-n перехода
+
3х
валентная
примесь
+
+
+
+
+
_
+
+
+
+
Si
_
_
_
_
_
_
_
_
5ти
валентная
примесь

10.

Евнутр
p
+
+
+
_
+
+
+
+
+
+
+
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
n
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_

11.

Евнутр
p
+
+
+
_
+
+
+
+
+
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
_
+
n
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+

12.

Полупроводниковые диоды

13.

• Диод - 2-электродный полупроводниковый
прибор
с
односторонней
проводимостью
электрического тока: он хорошо пропускает
через себя ток в одном направлении и очень
плохо — в другом.
Это основное свойство диода используется, в
частности, для преобразования переменного
тока электросети в постоянный ток.

14.

Схематическое устройство диода
Конструктивно
диод
представляет
собой
небольшую пластинку германия или кремния,
одна
область
электропроводимостью
которой
p-типа,
обладает
то
есть
«дырочной», другая — электропроводимостью
n-типа, то есть электронной .

15.

А
К
А
:
Область p-типа – анод (А)
Область n-типа – катод(К)
К

16.

А
К А
К

17.

18.

Кремниевый стабилитрон

19.

Условное
обозначение
Стабилитрон представляет собой
прибор с одним p-n переходом (т.е.
диод).
Основным материалом является
кремний

20.

Особенностьповышенная
концентрация носителей зарядов в
полупроводниках
обеспечивает
пробой
p-n
перехода
при
напряжениях от 1 до 10В. При
таком пробое не происходит
разрушения кристалла, т.е. он
является
обратимым.
Такой
пробой
называют
электронным.

21.

Рабочая часть вольт-амперной характеристики
находится в области обратного включения.
Uстаб3
Uстаб2 Uстаб1

22.

Схема простейшего стабилизатора
+
Uвход
-
Uвых

23.

Тиристоры

24.

Тиристор – мощный полупроводниковый
прибор с двумя устойчивыми состояниями,
имеющий три (и более) n-p-перехода, который
может переключаться из закрытого состояния в
открытое и наоборот.

25.

Тиристор

26.

Основным свойством четырехслойной
структуры является способность находиться в
двух состояниях устойчивого равновесия:
максимально открытом (с большой
проводимостью) и минимально закрытом (с
малой проводимостью)

27.

Принцип действия динистора
При прямом включении динистора источник питания
смещает р-n-переходы П1 и П3 в прямом направлении, а П2
– в обратном
Если к динистору приложено обратное напряжение, то
переход П2 открыт, а переходы П1 и П3 закрыты.

28.

При приближении
режима работы
динистора к участку
АБ происходит
переключение его из
одного состояния в
другое.
Динисторы относятся
к неуправляемым
коммутирующим
элементам.

29.

Принцип действия
тринистора
Тринисторы относятся к
разряду управляемых
коммутирующих
элементов.

30.

Биполярные транзисторы

31.

Биполярные транзисторы
• Биполярный
транзистор
–
это
полупроводниковый прибор с двумя p-n–
переходами, имеющий три вывода
(электрода).
• Действие
биполярного
транзистора
основано на использовании носителей
заряда обоих знаков (дырок и электронов),
а управление протекающим через него
током осуществляется с помощью
управляющего тока.

32.

33.

Устройство транзистора.
• Биполярный транзистор в своей основе содержит
три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и
соответственно два p-n –перехода. Каждый слой
полупроводника подсоединен к внешнему выводу.
Средний слой и соответствующий вывод
называют базой,
• один из крайних слоев и соответствующий вывод
называют эмиттером,
• а другой крайний слой и соответствующий вывод –
коллектором.

34.

n-p-n транзистор
p-n –p транзистор

35.

Принцип действия транзистора
1.UЭК>>UЭБ
2.База тонкая
3.База
слаболегиро
ванная

36.

Схемы включения биполярных
транзисторов

37.

Транзисторы включают по схеме с общим
электродом
Схема с общей
базой
Схема с общим
эмиттером
Схема с общим
коллектором

38.

KI = ∆Iвых / ∆Iвх
• -Коэффициент
усиления по току;
KU=∆Uвых/∆Uвх
• -Коэффициент
усиления по
напряжению;
KP=∆Pвых/∆Pвх
• -Коэффициент
усиления по
мощности.

39.

I э≈I к
I Б«I к (в 10-100 раз)
• Rэ очень мало
• Rк очень велико
• RБ очень велико

40.

Параметр
коэффициент
усиления по току
коэффициент
усиления по
напряжению
коэффициент
усиления по
мощности
Входное
сопротивление
Выходное
сопротивление
Схема ОЭ
β
Схема ОБ
α
Схема ОК
10-100
10-100
меньше единицы
(0,8-0,98)
10-100
10-100
меньше единицы
(0,8-0,98)
100-10000
10-100
10-100
100 Ом – 1 кОм
1-10 Ом
10-100 кОм
1-10Ом –1кОм
100 кОм –
1МОм
100 Ом –
1кОм

41.

α=β/(β+1)
β= α/(1-α)

42.

Полевой транзистор

43.

Полевой транзистор —
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока
обусловлено носителями заряда только одного
знака (электронами или дырками)

44.

-И
канал
-
З
С
+
Область,в которой создана
проводимость, называют каналом.
Электропроводность канала может быть
как n-, так и p-типа. Поэтому по
электропроводности канала различают
полевые транзисторы с n-каналом и рканалом.
Все полярности напряжений смещения, подаваемых на
электроды транзисторов с n- и с p-каналом,
противоположны.

45.

Электрод, из которого в канал входят
основные носители заряда, называют
истоком.
Электрод, через который из канала уходят
основные носители заряда, называют
стоком.
Электрод, служащий для регулирования
поперечного сечения канала, называют
затвором.

46.

Ic
U запирания
Uз= 0
Uз

47.

Схемы включения полевых
транзисторов
Полевой транзистор можно включать по одной из
трех основных схем:
с общим истоком (ОИ),
общим стоком(ОС).
общим затвором (ОЗ)

48.

Схемы включения полевых
транзисторов
На практике чаще всего применяется схема с ОИ,
аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.
Каскад с общим истоком дает очень большое
усиление тока и мощности.
Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает
усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней
во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ
обладает низким входным сопротивлением, в связи с
чем он имеет ограниченное практическое
применение.

49.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ

50.

Фоторезисторы
• Фоторезисторами
называют
полупроводниковые
приборы,
проводимость которых меняется под действием света.

51.

• Основным элементом фоторезистора является в
первом случае монокристалл, а во втором – тонкая
пленка полупроводникового материала.

52.

Изолированная подложка
I
Полупроводник
При освещении фоторезистора энергия фотонов
расходуется на перевод электронов в зону проводимости.
Количество
свободных
электронно-дырочных
пар
возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него
течет световой ток
Iс = E / (Rс + Rн).
Ф
Rф
(e+)
I

53.

• Если фоторезистор включен последовательно с источником
напряжения (рис. 3) и не освещен, то в его цепи будет протекать
темновой ток
Iт = E / (Rт + Rн),
(4)
где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического
сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым
сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки.

54.

Фотодиод
• Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод,
обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые
диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении
внешним источником питания.

55.

56.

При поглощении света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях
образуются новые носители заряда.
Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n
переходу- диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием
электрического поля.
То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов
непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам.
Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком

57.

Схемы включения фотодиодов
Рис 2. Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора (а) и фотопреобразователя
(б); его световая (в) и вольтамперная (г) характеристики
• Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего
источника электроэнергии (режим фотогенератора)
• и с внешним источником (режим фотопреобразователя).

58.

Фототранзистор
• Фототранзисторы
составляют
весьма
представительный
отряд
оптоэлектронных
фотоприемников, наиболее характерными чертами,
которого являются наличие механизмов встроенного
усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и
схемотехническая гибкость, обусловленная наличием
третьего - управляющего - электрода.
• Они
изготавливаются
практически только на
кремнии.

59.

• Фототранзистор – фотоэлектронный прибор,
имеющий трехслойную структуру, как обычный
транзистор, в котором ток зависит от освещения
базы.
• Они имеют линейную световую характеристику, а
выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного
транзистора, включенного по схеме с общим
эмиттером, но в качестве параметра вместо тока
базы выступает световой поток. Чувствительность
фототранзисторов достигает 1 А/лм..

60.

ВЫПРЯМИТЕЛИ

61.

Выпрямители – это устройства,
которые служат для
преобразования переменного тока
в постоянный.
Выпрямители бывают:
однополупериодные и двухполупериодные
однофазные и многофазные
управляемые и неуправляемые

62.

Структурная схема выпрямителя
Трансформатор
–
служит
для
понижения питающего напряжения
Блок
вентилей
–
обеспечивает
преобразование переменного тока в
пульсирующий
Сглаживающий фильтр - служит для
преобразования выпрямленного тока в
ток, близкий по форме к постоянному.

63.

Основные характеристики
выпрямителей
Номинальное
постоянного тока
напряжение
U0- среднее
значение
выпрямленного
напряжения,
заданное
техническими требованиями.

64.

Номинальный выпрямленный ток I0 –
среднее значение выпрямленного
тока,
т.е.
его
постоянная
составляющая,
заданная
техническими требованиями

65.

переменная
составляющая напряжения или
тока на выходе выпрямителя.
Характеризуется коэффициентом
пульсаций
Пульсация
–

66.

Коэффициент
пульсаций
kп
–
отношение амплитуды наиболее
резко выраженной гармонической
составляющей напряжения или
тока на выходе выпрямителя к
среднему значению напряжения
или тока.

67.

1. Однофазный однополупериодный
выпрямитель
VD
I 2 m 0,318
I0
I 2m
Iср д=I0
Uобр.m =3,14U0.
kп=1,57

68.

2. Схема со средней точкой
u2
iVD1
iVD2
I0
I ср.д 2
Uобр.m =3,14U0
iН
I 0,636 I
0
kп=0,67
2m

69.

3. Мостовая схема
I 0,636 I
0
2m
u2
I0
I ср.д 2
iVD2 ,VD3
iVD1 ,VD4
Uобр.m =1,57U0
iН
kп=0,67

70.

3.1 Трехфазный однополупериодный выпрямитель
I 0,827 I
0
I0
I ср.д 3
m
Uобр.m=2,09 U0
kп=0,25

71.

3.2 Трехфазный двухполупериодный выпрямитель
I 0 0,925 I m
I0
I ср.д 3
kп=0,057
Uобр =1,05 U0

72.

УСИЛИТЕЛИ

73.

Линейные
усилители
УПТ
УЗЧ
УВЧ
ШПУ
УПУ

74.

УПТ - Усилители постоянного тока
УЗЧ - Усилители звуковых частот
УВЧ – Усилители высокой частоты
ШПУ – широкополосные усилители
УПУ – узкополосные усилители

75.

• Каскады предварительного усиления
– предназначены для согласования с
источником усиливаемого сигнала и
усиления сигнала по напряжению

76.

• Выходные каскады –
предназначены для получения
требуемых тока или мощности
сигнала в нагрузке

77.

Основными элементами каскада являются
• Усилительный элемент УЭ
(биполярный или полевой
транзистор)
• Сопротивление R
• Источник питания Е

78.

Принцип усиления основывается на
преобразовании
энергии
источника
постоянного напряжения Е в энергию
переменного напряжения в выходной цепи
за счет свойств УЭ по закону, задаваемому
входным
сигналом

79.

+Е
i
R
УЭ
Uвх
Uвых

80.

Iкп
R1
Ср1
Ср2
VT
Сф
Uбэп
iвх
Rг
ег
Iбп
Rк
Rн
Rэ
R2
Uэп
Iэп
+ Eк
Сэ
Усилитель переменног о тока

81.

Основные элементы
•Источник питания Ек
•Управляемый элемент транзисторVT
•Резистор Rк
Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада.
Остальные элементы выполняют вспомогательную роль.

82.

Вспомогательные элементы
Ср1, Ср2 – отсекают постоянную составляющую тока от входного и
выходного сигнала
R1,R2- обеспечивают устойчивый режим работы
Rэ- обепечивает температурную стабилизацию
Сэ – ослабляет влияние отрицательной обратной связи

83.

Многокаскадные усилители
U вых1 U вх2
Rг
Eг
1
U вых2 U вхN
2
U выхN
ku
Eг
U выхN
N
Rн

84.

Двухтактные усилители
мощности

85.

86.

Колебания звуковой частоты с предпоследнего
каскада подаются на базы обоих транзисторов
так, что напряжения на них изменяются в любой
момент
времени
в
противоположных
направлениях, т.е. в противофазе.
При этом транзисторы работают поочередно, на
два такта за каждый период подводимого к ним
напряжения.

87.

Когда, например, на базе транзистора V1
отрицательная полуволна, он открывается и через
секцию
Iа
первичной
обмотки
выходного
трансформатора идет ток только этого транзистора
(график б). В это время транзистор V2 закрыт

88.

В следующий полупериод, наоборот, положительная
полуволна будет на базе транзистора V1, а
отрицательная - на базе транзистора V2. Теперь
открывается транзистор V2 и через секцию Iб
первичной обмотки выходного трансформатора идет
ток его коллектора (график в), а транзистор V1,
закрываясь, «отдыхает».

89.

В обмотке трансформатора коллекторные токи
обоих транзисторов суммируются (график г), в
результате на выходе усилителя получаются
более мощные электрические колебания
звуковой частоты, чем в обычном однотактном
усилителе.

90.

Генераторы импульсов

91.

Мультивибраторы
Под мультивибратором понимают генератор
импульсов, который представляет собой
двухкаскадный электронный усилитель с
резисторно-емкостной связью. Этот тип
генератора отличается от других тем, что он
одновременно генерирует множество
синусоидальных колебаний. С этим связано и
его название от латинских слов, multum —
много, vibro — колеблю.

92.

Мультивибратор в автоколебательном режиме

93.

Мультивибратор дает сигнал очень сложной формы, обычно
похожий на прямоугольник.
Частота колебаний мультивибратора зависит от величин емкостей
конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в цепи
обратной связи.

94.

Из-за наличия конденсаторов
мультивибратор не имеет устойчивых
состояний и обеспечивает генерирование
импульсов, имеющих форму, близкую к
прямоугольной

95.

Графики, поясняющие работу мультивибратора автоколебательном режиме

96.

Триггер
• Триггер (триггерная система) — класс электронных
устройств, обладающих способностью длительно
находиться в одном из двух устойчивых состояний и
чередовать их под воздействием внешних сигналов.
• По характеру действия триггеры относятся к импульсным
устройствам — их активные элементы (транзисторы,
лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний
длится очень короткое время.

97.

98.

• Отличительной особенностью триггера как
функционального устройства является свойство
запоминания двоичной информации.
• Под памятью триггера подразумевают способность
оставаться в одном из двух состояний и после
прекращения действия переключающего сигнала.
Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно
считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа,
записанного в двоичном коде.

99.

Генераторы колебаний

100.

LC – Автогенераторы

101.

Трёхточечные схемы автогенераторов

102.

LC - Автогенератор
• LC-генератор так называется, потому что в нём используется LC-контур.

103.

Условие незатухания
колебаний
1. Баланс фаз
2. Баланс амплитуд

104.

Элементы
R1,
R2,
R3C3
обеспечивают
необходимый режим по постоянному току
усилительного элемента и его термостабилизации.
Элементы L2C2 образуют параллельный
колебательный контур.

105.

В момент включения питания в
коллекторной цепи транзистора VT
появляется
коллекторный
ток,
заряжающий емкость С2 контура
L2C2.
В следующий момент времени заряженный
конденсатор
разряжается
на
катушку
индуктивности. В контуре возникают свободные
затухающие колебания частотой f0 = 1 / 2π√L2C2.

106.

• Переменный ток контура, проходя через катушку L2
создает вокруг неё переменное магнитное поле, а это
поле в свою очередь наводит в катушке L1 переменное
напряжение, которое вызывает пульсации тока
коллектора транзистора VT. Переменная
составляющая коллекторного тока восполняет потери
энергии в контуре, создавая на нём усиленное
переменное напряжение.

107.

108.

Схема с трехфазной фазирующей цепочкой или
схема с реактивными элементами одного знака.
• Из схемы видно, что
усилитель, между выходом и
входом которого включена
цепь, которая переворачивает
фазу сигнала на 180º.
• Эта цепь называется
фазовращающей.
Фазовращающая цепочка
состоит из элементов С1R1,
C2R2, C3R3.

109.

• С помощью одной цепочки из резистора и
конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем
на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º.
Поэтому для получения сдвига фазы на 180º
приходится ставить три цепочки. С выхода последней
RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

110.

Частота колебаний определяется по
формуле:
При этом должно соблюдаться условие:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C