 |
Понятия о математических моделях электронных приборов
|
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 1
ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КУРСА.
Модель идеализированного p-n-перехода
План лекции:
Введение
Основные понятия курса
Понятия о математических моделях электронных приборов
Полупроводниковые диоды
Классификация и система обозначений полупроводниковых диодов
Основные параметры полупроводниковых диодов
Модель идеализированного p-n-перехода
Введение
Электроника – область науки и техники, охватывающая изучение и использование электронных и ионных явлений, протекающих в вакууме, газах, жидкостях, твёрдых телах и плазме, а также на их границах. Электроника является одной из важнейших дисциплин в подготовке специалистов в области радиотехники (направление 210300).
Специалист в области радиотехники должен знать:
− принципы работы (физические процессы), характеристики, устройство, электрические и другие параметры, возможные отклонения параметров в процессе производства, а также изменения параметров электронных приборов под воздействием внешних условий работы,
− буквенно-цифровые обозначения отечественных электронных приборов, условные графические обозначения электронных приборов на принципиальных электрических схемах, эквивалентные схемы электронных приборов,
− конструкции различных видов электронных приборов, эксплуатационные параметры (допустимые тепловые режимы, устойчивость к механическим, климатическим и другим воздействиям), рекомендации по монтажу и эксплуатации с учётом техники безопасности.
Специалист в области радиотехники должен уметь:
− рассчитывать необходимые режимы работы и электрические параметры электронных приборов, обеспечивающие эффективное функционирование устройства в заданных условиях эксплуатации,
|
|
|
− выбирать по справочникам типы и модификации электронных приборов, обеспечивающие оптимальное выполнение устройством заданных функций.
Дисциплина "Электроника" базируется на знаниях, полученных студентами в курсах математики, физики, основ теории цепей и физической электроники. Электроника является продолжением курса "Физическая электроника".
Студенты изучают дисциплину "Электроника" в течение пятого семестра, в котором предусмотрено 2 часа лекций и 1 час лабораторных занятий в неделю. Кроме того, в течение семестра студенты делают курсовую работу и защищают её. Семестр заканчивается сдачей экзамена.
Рекомендуемая литература:
А) основной список
1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов/ Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Д. Федорова. - М.: Радио и связь, 1998. – 560 с., ил. – УДК 621.38 Э455
2. Электронные приборы: Учебник для вузов / В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Дёмин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. − 496 с: ил. – УДК 621.385 (075) Э-455
3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. – 488 с.: ил. – УДК 621.3.049.77(075) С79 ББК 32.852
4. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. – 3-е изд. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 320 с.: ил. – УДК 621.38 П12
Б) дополнительный список
1д. Терехов В.А. Задачник по электронным приборам: Учебное пособие. 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Лань, 2000. – 280 с. – (Учебники для вузов. Специальная литература). – УДК 621.385(076) Т35 ББК 32.825
2д. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 6-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2002. – 480 с., ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература). – УДК 621.382 П198
|
|
|
3д. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с испан. С.И. Баскакова / Под ред. В.А. Терехова; Предисл. В.А. Терехова. − М.: Высш. шк., 1991. − 351 с.: ил. – УДК 621.382 Р74
Основные понятия курса
Электронными приборами называют не подлежащие сборке, разборке и ремонту устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твёрдом теле, жидкости, вакууме, газе или плазме.
Основными функциями электронных приборов являются преобразование энергии и информационных сигналов.
При преобразовании энергии возможны преобразования солнечной (световой) и тепловой энергии в электрическую и наоборот, переменного тока в постоянный и обратно и другие виды преобразований.
Основными процессами при преобразовании информационных сигналов являются усиление, генерирование, передача, накопление, хранение сигналов и выделение их на фоне шумов.
По виду рабочей среды электронные приборы делят на:
− полупроводниковые − твердотельные на основе полупроводников,
− электровакуумные, в которых электронные явления протекают в вакууме,
− газоразрядные, в которых электронные и ионные явления протекают в специальной газовой среде,
− хемотронные, в которых рабочей средой для электронных и ионных процессов являются жидкости.
Самым многочисленным в данной классификации является класс полупроводниковых приборов.
По назначению электронные приборы классифицируют на:
− электропреобразовательные, которые позволяют преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного тока и наоборот,
− электросветовые, которые преобразуют энергию электрического тока в световую,
− фотоэлектрические, которые преобразуют световую энергию в электрическую,
− термоэлектрические, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую и наоборот,
− акустоэлектронные, которые преобразуют акустическую энергию в электрическую и наоборот,
− механоэлектрические, которые преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот.
Самым многочисленным из перечисленных является класс электропреобразовательных приборов.
|
|
|
По назначению и выполняемым функциям электронные приборы делят на:
− выпрямительные, преобразующие разнополярный переменный ток в однополярный переменный ток,
− усилительные,
− генераторные,
− переключательные,
− преобразовательные,
− индикаторные и др.
По диапазону рабочих частот различают:
− низкочастотные и среднечастотные ( 
МГц),
− высокочастотные (
МГц) и
− сверхвысокочастотные (СВЧ) электронные приборы (
МГц).
По выходной мощности электронные приборы делят на:
− маломощные,
− средней мощности и
− мощные.
Известны и другие виды классификации электронных приборов.
Режимом работы электронного прибора называют совокупность его внутренних и воздействующих на него внешних параметров. Параметром называют любую величину, характеризующую режим работы электронного прибора.
Различают:
− электрический режим работы, который определяется значениями напряжений на выводах электронного прибора и токами через них, электромагнитными, световыми, внутренними тепловыми и некоторыми другими параметрами,
− механический режим работы, который определяется значениями внешних механических воздействий (вибрация, удары, тряска и др.),
− климатический режим работы, который определяется такими внешними величинами как температура окружающей среды, влажность, давление, уровень радиации и др.
Режим работы электронного прибора называют типовым, если параметры режима соответствуют требованиям нормативно-технической документации на данный прибор.
Электрические, электромагнитные, световые, тепловые и некоторые другие величины называют функциональными параметрами электронного прибора.
Численные значения функциональных параметров, соответствующие нормативно-технической документации, называют номинальными. Они определяют оптимальные условия работы прибора при эксплуатации и испытаниях.
Кроме номинальных различают предельные значения параметров, которые характеризуют предельно допустимые режимы работы электронных приборов. К ним относят максимально допустимые напряжения между выводами прибора, максимально допустимые токи через выводы, максимально допустимую мощность, рассеиваемую отдельными элементами или электронным прибором в целом, и т.д.
|
|
|
Выводы электронных приборов часто называют электродами и для определённости присваивают им конкретные названия. По количеству электродов различают:
двухэлектродные приборы − диоды,
трёхэлектродные приборы – триоды, транзисторы и др.,
многоэлектродные приборы – тетроды, пентоды, электронно-лучевые трубки, интегральные схемы и другие разновидности.
Режим работы электронного прибора называют статическим, если он работает при постоянных токах и напряжениях. Режим работы электронного прибора называют квазистатическим, если электрические параметры режима изменяются во времени столь медленно, что в каждый момент они несущественно отличаются от статических, так как влиянием паразитных емкостей на работу можно пренебречь. Режим работы электронного прибора называют динамическим, если хотя бы на одном электроде напряжение достаточно быстро изменяется во времени.
Кроме электрических, различают физические параметры электронного прибора, к которым относят коэффициенты передачи (часто называемые коэффициентами усиления) по току и напряжению, величину внутреннего сопротивления, междуэлектродные ёмкости, яркость свечения и др.
Характеристикой электронного прибора называют зависимость любого его параметра или режима работы от какого-либо другого параметра при условии постоянства всех остальных параметров. Совокупность характеристик при различных фиксированных значениях третьего независимого параметра называют семейством характеристик. Важнейшими являются статические вольтамперные характеристики электронного прибора, отображающие, как правило, зависимость тока в цепи того или иного электрода от напряжения между двумя любыми электродами электронного прибора в статическом режиме. Весьма часто семейства статических характеристик имеют конкретные (сеточные, анодные и др.) или обобщённые (входные, выходные и др.) названия.
Понятия о математических моделях электронных приборов
Математической моделью электронного прибора называют систему линейных и нелинейных алгебраических, дифференциальных и/или интегро-дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы в этом приборе.
При этом математическая модель должна:
1) чётко отвечать поставленной задаче и не должна быть шире, чем это безусловно необходимо для решения поставленной задачи и
|
|
|
2) быть предельно простой и удобной для анализа и в то же время быть максимально чувствительной к основным исследуемым параметрам схемы, процесса или конструкции.
Следует помнить, что любая модель является ограниченной по сравнению с реальной действительностью, которую она отображает.
Принципиальной электрической схемой (СхЭ) или просто электрической схемой называют графическое изображение электрической цепи, содержащее условные графические изображения входящих в неё элементов и показывающее соединения этих элементов друг с другом.
Электрическая схема цепи – приближённая графическая модель, пригодная для анализа в определённых ограниченных пределах. При построении схемы предполагается, что все потери энергии сосредоточены в резисторах, всё электрическое поле – в ёмкостях, всё магнитное поле – в индуктивностях. Проводники, соединяющие между собой элементы схемы, не обладают ни сопротивлением, ни индуктивностью, ни ёмкостью. Поэтому форма и длина соединительных линий на схеме не влияет на работу устройства и в этом смысле не играет никакой роли.
Образованная идеализированными элементами схема носит название цепи с сосредоточенными параметрами.
Математической моделью принципиальной электрической схемы, содержащей электронные приборы, называют систему линейных и нелинейных алгебраических, дифференциальных и/или интегро-дифференциальных уравнений, описывающих процессы в СхЭ при помощи понятий об электродвижущей силе (эдс), токе и напряжении.
Решение системы уравнений является сложной задачей, для которой нахождение аналитических выражений в большинстве случаев не представляется возможным. Аналитические решения удаётся получить только для частных случаев с использованием некоторых приближений. Поэтому весьма часто применяют современные численные методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений.
Процессы в статическом и динамическом режимах работы, как правило, отличаются друг от друга. Поэтому различают статическую и динамическую модели электронных приборов.
При анализе принципиальных электрических схем радиоэлектронных устройств удобно на основе математических моделей заменить электронные приборы эквивалентными электрическими схемами (схемами замещения), составленными из элементов электрических цепей.
Основными характеристиками, которые требуется рассчитывать для принципиальных электрических схем, являются:
− в статическом режиме − рабочая точка, т.е. величины постоянных токов, напряжений и выделяемых мощностей на элементах схемы,
− в динамическом режиме − коэффициенты передачи, частотные, энергетические и некоторые другие показатели.
Наличие аналитического решения позволяет достаточно просто вычислять необходимые параметры электронного прибора и характеристики схемы в динамическом режиме работы.
Удобство электрических схем состоит в том, что анализ динамического режима можно проводить по законам теории электрических цепей. Для малого сигнала эквивалентные схемы электронных приборов обычно являются линейными, поэтому обычно их называют малосигнальными. В ключевом режиме, т.е. в режиме большого сигнала, форма выходного напряжения весьма сильно отличается от формы входного напряжения. Математическая модель электронного прибора в этом случае становится нелинейной, и решение системы уравнений может быть найдено только численными методами. Численные значения элементов эквивалентной схемы электронного прибора, приведённые в справочной литературе, являются средними. При необходимости они могут быть уточнены с помощью экспериментальных измерений.
Полупроводниковые диоды
Диодами называют двухэлектродные приборы, имеющие нелинейные вольтамперные характеристики.
Полупроводниковым диодом, а в настоящее время просто диодом, называют полупроводниковый прибор с двумя выводами и, как правило, имеющий один электронно-дырочный p-n -переход, гетеропереход или выпрямляющий переход металл-полупроводник. Основным свойством полупроводникового диода является односторонняя проводимость, то есть пропускание электрического тока только в одном направлении. По аналогии с электровакуумным диодом электроды полупроводникового диода называют "анодом" и "катодом". Направление движения электрического тока от анода к катоду считают положительным.
1.4.1. Система обозначений полупроводниковых диодов [1]
С помощью буквенно-цифровых обозначений полупроводниковые диоды классифицируют по функциональному назначению, материалу изготовления и некоторым другим параметрам.
Согласно ОСТ 11 336.919-81 первый элемент обозначения указывает материал, из которого изготовлен полупроводниковый диод. При этом буква обозначает, что диод предназначен для использования в бытовых и промышленных изделиях массового применения, цифра – для использования в специальных изделиях. Конкретно:
Г или 1 – германий или его соединения,
К или 2 – кремний или его соединения,
А или 3 − соединения галлия,
И или 4 − соединения индия.
Второй элемент обозначения указывает область функционального назначения, а именно подкласс прибора:
Д − диоды выпрямительные, универсальные и импульсные,
Ц − выпрямительные столбы и блоки,
А − диоды СВЧ,
В − варикапы,
И − диоды туннельные и обращённые,
Л − диоды излучающие,
Г − генераторы шума,
Б − приборы с объёмным эффектом Ганна,
С − стабилитроны, стабисторы (стабилизаторы напряжения),
К − стабилизаторы тока.
Третий элемент обозначения – цифра, определяющая область применения прибора (по мощности, частоте или другим показателям).
Четвёртый и пятый элементы обозначения диодов, кроме стабилитронов и стабисторов, образуют число, определяющее порядковый номер разработки технологического типа прибора.
Для стабилитронов и стабисторов третий элемент обозначения – цифра, определяющая индекс (максимальную величину рассеиваемой) мощности, четвёртый и пятый элементы обозначения – напряжение стабилизации (В).
Шестой элемент обозначения – буква, обозначающая параметрическую группу данного технологического типа (напряжение, ток, диапазон рабочих температур и др.).
Примеры:
КД221Г – кремниевый (К) выпрямительный (Д) диод, маломощный (2 – на ток до 1 А) для устройств широкого применения, номер разработки – 21, технологическая группа Г,
ГД511Б – германиевый (Г) универсальный импульсный (Д) диод для устройств широкого применения, номер разработки – 11, технологическая группа Б,
2С168А – кремниевый (2) стабилитрон (С) малой мощности (1) для использования в устройствах специального назначения, напряжение стабилизации 6,8 В (68), технологическая группа А.
По видам электрических контактов (по конструкции) полупроводниковые диоды делят на диоды с p-n -переходом (подавляющее большинство приборов) и диоды с переходом металл-полупроводник.
По частотным свойствам и назначению полупроводниковые диоды делят на группы:
− СВЧ-диоды (более 100 МГц) − детектирование, преобразование, измерения,
− ВЧ-диоды (от низких до СВЧ частот) − детектирование, преобразование, измерения,
− НЧ-диоды – выпрямительные,
− специальные (всех частот) – опорные, переключающие, фотодиоды и др.
Условные графические обозначения полупроводниковых диодов на схемах принципиальных электрических определяет ГОСТ 2.730-73. ЕСКД. "Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые" (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Условные графические обозначения полупроводниковых диодов (а – выпрямительный, б – стабилитрон, в – варикап, г – светодиод, д – фотодиод)
|
|
|
12 |
