Методические указания к контрольной работе по курсу
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫЭЛЕКТРОНИКИ
Новосибирск
2015
Оглавление
Введение..........................................................................................4
Методические указания по самостоятельному изучению курса...4
Общие замечания к выполнению контрольной работы..............15
Выбор варианта задания................................................................17
Содержание задач контрольной работы.......................................17
Пример решения задачи 1..............................................................17
Пример решения задачи 2..............................................................20
Пример решения задачи 3..............................................................23
Пример решения задачи 4..............................................................24
Приложение А................................................................................27
Приложение Б.................................................................................28
Введение
Дисциплина ²Физические основы электроники² должна обеспечивать базовую подготовку студентов, необходимую для успешного изучения специальных дисциплин и последующего решения производственных, проектных и исследовательских задач. Изучение дисциплины должно подготовить студента к самостоятельным решениям при рациональном выборе приборов (с учетом тенденций их развития), режимов их работы в устройствах и системах связи и опирается на содержание курсов «Высшая математика», «Физика» и «Теория электрический цепей».
В результате изучения дисциплины студент должен:
- приобрести знания принципов действия и устройства электронных приборов, их характеристик, моделей, эквивалентных схем, используемых при анализе и синтезе электронных устройств;
-уметь использовать полученные знания для правильного выбора прибора, определения его параметров по характеристикам и выяснения влияния режимов и температуры на эти параметры;
- приобрести навыки работы с электронными приборами и аппаратурой, используемой для исследования характеристик и измерения параметров приборов.
Основные вопросы курса ФОЭ.
1. Определение и классификация электронных приборов. Этапы развития ЭП.
2. Электрические свойства полупроводников (ПП). Собственные и примесные ПП. Их электропроводность.
3. Диффузионные и дрейфовые токи в полупроводнике.
4. Электронно - дырочный переход. Образование p-n перехода. Распределение носителей заряда. P-n переход в состоянии равновесия. Физические процессы. Образование jк и потенциальная диаграмма. Толщина p-n перехода.
5. Прямое и обратное включение p-n перехода. Физические процессы. Потенциальные диаграммы. Толщина p-n перехода.
6. Емкости p-n перехода: барьерная и диффузионная. Их зависимости от режима работы.
7. Отличия характеристик реальных ПП диодов от ВАХ идеального p-n перехода и чем они обусловлены.
8. Низкочастотная и высокочастотная модели ПП диодов.
9. Отличия ВАХ диодов из германия и кремния.
10. Влияние температуры на характеристики ПП диодов из германия и кремния.
11. Выпрямительные ПП диоды. Особенности конструкции. ВАХ. Основные параметры.
12. Высокочастотные диоды. Особенности конструкции. ВАХ. Основные параметры.
13. Импульсные диоды. Особенности работы. Параметры.
14. Стабилитрон. ВАХ. Основные параметры. Применение. Схема включения.
15. Варикап. Принцип работы. Вольт - фарадная характеристика. Параметры. Схема включения.
16. Устройство и принцип работы биполярного транзистора (БТ)
17. Основные режимы работы БТ и схемы включения.
18. Уравнения коллекторных токов для схем включения с ОБ и ОЭ. Коэффициенты передачи тока, их соотношения
19. Входные и выходные характеристики БТ в схеме с ОБ. Схема для снятия характеристик. Вид характеристик и их объяснение.
20. Входные и выходные характеристики БТ в схеме с ОЭ. Схема для снятия характеристик. Вид характеристик и их объяснение.
21. Зависимость характеристик БТ от температуры для различных схем включения.
22. Рабочая область выходных характеристик БТ. Влияние температуры на рабочую область характеристик.
23. Дифференциальные H - параметры БТ. Уравнение 4х-полюсника.
24. Определение H - параметров по характеристикам БТ.
25. Эквивалентная схема БТ в системе H - параметров и физическая T -образная эквивалентная схема.
26. Зависимость Н-параметров БТ от частоты.
27. Методы улучшения частотных свойств БТ. Дрейфовый транзистор.
28. Усилительный режим работы БТ. Принцип работы БТ. Графический метод определения параметров усиления.
29. Аналитический расчет параметров усилительного режима.
30. Импульсный режим работы БТ. Схема, принцип действия, причины искажения импульсов, основные параметры и характеристики.
31. Устройство и принцип работы ПТ с управляющим p-n переходом. Схемы включения. Характеристики
32. Устройство и принцип работы МДП транзисторов со встроенным каналом. Схемы включения. Характеристики.
33. Устройство и принцип работы МДП транзисторов с индуцированным каналом. Схемы включения. Характеристики.
34. Влияние температуры на передаточные, выходные характеристики ПТ и их рабочую область.
35. Дифференциальные параметры ПТ. Уравнение 4х-полюсника.
36. Определение дифференциальных параметров ПТ по характеристикам.
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Учебным планом для заочного отдаления предусмотрено выполнение контрольной работы по данному курсу.
При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие правила:
1. Решение задач должно сопровождаться подробными пояснениями по каждому пункту задания.
2. Все графические построения надо выполнять карандашом, отчетливо и аккуратно.
3. Все величины, определяемые из графика, должны быть указаны на графике.
4. Если по заданию требуется построить какую-либо характеристику прибора, то данные для построения должны быть сведены в таблицу.
5. Обозначения определяемых величин должны быть одинаковыми с обозначениями, принятыми в задании.
6. Если работа не допущена к зачету, то исправление решения задач или их новое решение производятся на чистых листах не зачтенной работы и посылается на повторное рецензирование.
7. В конце работы студент должен указать литературу, которой он пользовался при выполнении контрольной работы, поставить свою подпись и число.
Выбор варианта задания
Исходные данные к решаемым задачам определяются из таблиц приложения А для задач 1, 2, 3 по последней цифре студенческого билета, для задачи 4 по предпоследней цифре студенческого билета. Необходимые характеристики следует брать из приложения Б.
Содержание задач контрольной работы
Задача 1: Исходные данные для задачи берем из таблицы П.1.1 приложения 1.По статическим характеристикам заданного биполярного транзистора (приложение 2), включенного по схеме с общим эмиттером, рассчитать параметры усилителя графоаналитическим методом. Для этого:
а) построить линию нагрузки;
б) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала, определить величины амплитуд напряжений на коллекторе и базе, тока коллектора;
в) рассчитать для линейного (мало искажающего) режима коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности KP и входное сопротивление усилителя RВХ. Найти полезную мощность в нагрузке P~, мощность, рассеиваемую в коллекторе PK, потребляемую мощность РПОТР и коэффициент полезного действия h.
Задача 2: Используя характеристики заданного биполярного транзистора определить h-параметры в рабочей точке, полученной в задаче 1.
Задача 3: Используя h-параметры (задача 2), определить частотные параметры транзистора и построить зависимости относительного коэффициента передачи тока от частоты½Н21½/ h21=F(f) для различных схем включения транзисторов.
Задача 4: Исходные данные для задачи берем из таблицы П.1.2 приложения 1. По выходным характеристикам полевого транзистора (приложение 2) построить передаточную характеристику при указанном напряжении стока.Определить дифференциальные параметры полевого транзистора и построить их зависимость от напряжения на затворе.
Пример решения задачи 1
Дано: транзистор КТ315А, напряжение питания ЕК = 15 В, сопротивление нагрузки RН = 500 Ом, постоянный ток смещения в цепи базы I Б0 = 350 мкА, амплитуда переменной составляющей тока базы I БМ= 150 мкА.
Выходные статические характеристики транзистора с необходимыми построениями показаны на рисунке 1.1. Нагрузочная линия соответствует графику уравнения 
. На семействе выходных характеристик ордината этой прямой при UКЭ=0 соответствует точке IК=EК/RН. Абсцисса при IК=0 соответствует точке UКЭ=ЕК. Соединение этих координат и является построением нагрузочной линии.
В нашем случае координаты нагрузочной линии: IК = 15/500 = 30 мА и UКЭ = 15 В. Соединяя эти точки, получаем линию нагрузки.
Пересечение нагрузочной линии с заданным значением тока базы IБ0 определяет рабочую точку (РТ) транзисторного каскада, нагруженного на резистор. В нашем случае рабочий точка соответствует пересечению нагрузочной прямой с характеристикой при IБ= 350 мкА.
Если в семействе выходных характеристик отсутствует требуемая характеристика (в нашем случае IБ= 350 мкА), её следует самостоятельно построить между характеристиками с ближайшими значениями тока базы (на рисунке пунктирная линия).
Рисунок 1.1
Координаты рабочей точки дают значение рабочего режима выходной цепи U КЭ0 и I К0. Определяем параметры режима по постоянному току
IК0=19,2 мА и UКЭ0=5,45 В.
На входных характеристиках (рисунок 1.2) рабочую точку определяем как точку пересечения ординаты, соответствующей току IБ0=350 мкА, и характеристики при UКЭ=10 В (РТ). Хотя в рабочей точке на выходных характеристиках UКЭ0¹10 В, входные характеристики в активном режиме практически совпадают и можно воспользоваться характеристикой для
UКЭ =10 В. Определяем: UБЭ0= 0,745 В.
По заданному изменению синусоидального тока базы с амплитудой I БM, определяем графически амплитуды токов и напряжений на электродах транзистора. Строим временные диаграммы переменного тока коллектора, напряжения коллектора и базы для случая синусоидального входного тока с амплитудой IБМ = 150 мкА. Временные диаграммы строятся с учетом того, что напряжения на базе и коллекторе противофазные, и с соблюдением одинакового масштаба по оси времени. После построения временных диаграмм необходимо оценить, имеются ли заметные искажения в выходной цепи транзистора или нет.
Рисунок 1.2
Из временных диаграмм видно, что под действием переменного входного тока рабочая точка на выходных характеристиках двигается вдоль линии нагрузки. Если рабочая точка какую-либо часть периода входного тока попадает в область насыщения или отсечки сигнала, необходимо уменьшить амплитуду входного сигнала до величины, при которой рабочая точка не будет выходить за пределы активной области работы прибора.
Дальнейшие расчеты производятся только для активного режима работы прибора, называемого иногда линейным или неискажающим.
При нахождении из графиков величин IКМ, UКМ, UБМ следует обратить внимание, что амплитудные значения для положительных и отрицательных полуволн сигнала могут быть неодинаковыми, а значит усиление большого сигнала и в активном режиме сопровождается некоторыми искажениями.
Для дальнейших расчетов значения амплитуд определяется как средние за период.
По выходным статическим характеристикам (рисунок 1.1) находим положительные и отрицательные амплитуды токов и напряжений 
=8мА и 
=8мА, а также 
=3,85 В и 
=4,15 В. Затем определяем среднее значение амплитуд
мА, 
В
По входным характеристикам находим 
В и 
В.
B
Затем определяем 
, 
и 
.
Находим 
.
Определяем полезную мощность, мощность рассеиваемую на коллекторе и потребляемую мощность
; 
;
.
коэффициент полезного действия каскада
.
Пример решения задачи 2
Находим h- параметры в рабочей точке, которая определена в задаче 1. Параметр h11Э определяем следующим образом. На входных характеристиках (рисунок 2.1) задаемся приращением тока базы DIБ= ±50=100 мкА относительно рабочей точки IБ0=350 мкА.
Рисунок 2.1
Соответствующее приращение напряжения база-эмиттер составит
DUБЭ=0,018 В. Тогда входное сопротивление
.
По выходным характеристикам находим параметры h21Э и h22Э. Определение параметра h21Э показано на рисунке 2.2.
Задаемся приращением тока базы относительно рабочей точки также DIБ= ±50=100 мкА и соответствующее приращение тока коллектора составляет DIК= 5,6 мА. Коэффициент передачи тока базы составит
.
На рисунке 2.3 показано определение выходной проводимости h22Э. Около рабочей точки задаемся приращением напряжения коллектор-эмиттер
DUКЭ=4 В. Соответствующее приращение тока коллектора составляет DIК=1 мА и выходная проводимость равна
.
Параметр h12Э по характеристикам обычно не определяется, так как входные характеристики для рабочего режима практически сливаются и определение параметра даёт очень большую погрешность.
Рисунок 2.2
Рисунок 2.3
Пример решения задачи 3
Для данного транзистора на частоте f =100 МГц модуль коэффициента передачи тока½Н21Э½=2,5 и постоянная времени цепи коллектора tК= 500 пс. Коэффициент передачи тока базы½Н21Э½в зависимости от частоты определяется формулой:
(1). Преобразуя её, получим: 
(2).
Если ½Н21Э½<<h21Э (3), то 
(4).
Поскольку условие (3) выполняется, то подставляя в полученную формулу (4) выше приведенные данные ½Н21Э½, f и значение h21Э=56, полученный в задаче 2, определяем предельную частоту для схемы с общим эмиттером:
fН21Э » 4,46 МГц.
Предельная частота для схемы с общей базой определяется как
fН21Б= fН21Э×(h21Э+1) »254,5 МГц.
Граничная частота fГР » fН21Э× h21Э=250 МГц.
Максимальная частота генерации определяется формулой
(5), где h21Б= h21Э/(h21Э+1) (6).
Подставляя в выше приведенную формулу (5) полученные результаты h21Б, fН21Б и справочное значение tК получим fМАКС = 
» 141,06 МГц.
Построить зависимости 
и 
. Для этого проделать вычисления используя формулу (1), а для второго случая формулу (7).
(7).
Вычисления проводить до тех пор, пока коэффициенты передачи снизится более, чем в 10 раз. Результаты вычислений занести в таблицы 3.1 и 3.2.
Таблица 3.1.
| f, МГц | |||||||
| ½Н21Э½ | 54,65 | 51,1 | 37,3 | 22,8 | 12,2 | 2,5 | |
| 0,976 | 0,91 | 0,67 | 0,41 | 0,22 | 0,09 | 0,045 |
Таблица 3.2.
| f, МГц | |||||||
| ½Н21Б½ | 0,964 | 0,915 | 0,77 | 0,45 | 0,24 | 0,12 | 0,06 |
| 0,981 | 0,93 | 0,79 | 0,46 | 0,25 | 0,12 | 0,06 |
Строим графики, откладывая частоту в логарифмическом масштабе, а коэффициенты передачи тока в относительных единицах в линейном масштабе. (Рисунок 3.1).
Рисунок 3.1
Пример решения задачи 4
Пусть дан полевой транзистор типа КП103, напряжение сток-исток
UСИ0= 6 В, UЗИ0=4 В. Приводим выходные характеристики (приложение 2). Для построения характеристики прямой передачи определяем ток стока при UЗИ=0 В, 0,5 В и т.д. (рисунок 4.1). Результаты заносим в таблицу 4.1.
Таблица 4.1.
| UЗИ, В | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | ||
| IC, мА | 4,08 | 3,13 | 2,31 | 1,6 | 1,05 | 0,61 | 0,3 |
По полученным результатам строим характеристику прямой передачи (рисунок 4.2).
Определяем крутизну и строим её зависимость от напряжении на затворе. Для этого сначала находим крутизну при напряжении на затворе UЗИ=0,25В.
Рисунок 4.1
|
Определяем токи I¢С=4,08 мА и I²С=3,13 мА при напряжениях U¢ЗИ=0 В и U²ЗИ=0,5 В соответственно (рисунок 4.1). Затем вычисляем крутизну
=1,96 мА/В.
Аналогично проделываем эту операцию для UЗИ=0,75В; 1,25 В и т.д. Результаты вычислений заносим в таблицу 4.2 и строим график (рисунок 4.3).
Рисунок 4.2
Таблица 4.2.
| UЗИ, В | 0,25 | 0,75 | 1,25 | 1,75 | 2,25 | 2,75 | |
| S, мА/В | 1,9 | 1,64 | 1,42 | 1,1 | 0,88 | 0,62 |
Для определения выходного сопротивления Ri задаемся приращением DUСИ=±2 В относительно напряжения UСИ=6 В (рисунок 4.4). Определяем приращение тока стока при напряжении на затворе 0 В, вычисляем значение 
. Результат заносим в таблицу 4.3. Аналогично проделываем для UЗИ=0,5 В; 1,0 В и т.д. На рисунке 4.3 cтроим зависимость Ri=F(UЗИ).
Рисунок 4.3
Таблица 4.3.
| UЗИ, В | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | |
| DIС, мА | 0,14 | 0,1 | 0,07 | 0,06 | 0,05 | 0,045 | 0,04 |
| Ri, кОм | 39,2 | 54,8 | 65,6 | 88,9 | |||
| S,мА/В | 1,75 | 1,5 | 1,25 | 1,0 | 0,75 | 0,5 | |
| m | 68,6 | 82,2 | 66,6 |
Из рисунка 4.3 определяем значение крутизны для тех же величин, что и Ri. Результат так же заносим в таблицу 4.3.
В заключении определяем коэффициент усиления транзистора m= S× Ri.
Результат так же заносим в таблицу 4.3 и строим зависимость (рисунок 4.3).
Рисунок 4.4
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Варианты заданий для последней цифры студенческого билета.
Таблица П.А.1
| № вар. | Тип БТ | ЕК, В | RН, Ом | IБ0, мкА | IБМ, мкА | f, МГц | |H| | tК, пс |
| КТ603А | 2,0 | |||||||
| КТ605А | 2,0 | |||||||
| КТ603А | 2,25 | |||||||
| КТ605А | 2,25 | |||||||
| КТ603А | 2,5 | |||||||
| КТ605А | 2,5 | |||||||
| КТ603А | 2,75 | |||||||
| КТ605А | 2,75 | |||||||
| КТ603А | 3,0 | |||||||
| КТ605А | 3,0 |
Варианты заданий для предпоследней цифры студенческого билета.
Таблица П.А.2
| Вариант | Тип ПТ | UСИ0, В | UЗИ0, В |
| КП 103 К | |||
| КП 903 А | |||
| КП 103 К | |||
| КП 903 А | |||
| КП 103 К | |||
| КП 903 А | |||
| КП 103 К | |||
| КП 903 А | |||
| КП 103 К | |||
| КП 903 А |
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Рисунок П.Б.1
Рисунок П.Б.2
l
Рисунок П.Б.3 Рисунок П.Б.4
Рисунок П.Б.5
Рисунок П.Б.6