 |
Понятия о математических моделях электронных приборов
|
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 1
ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КУРСА
План лекции:
Введение
Основные понятия курса
Понятия о математических моделях электронных приборов
Полупроводниковые диоды
Классификация и система обозначений полупроводниковых диодов
Основные параметры полупроводниковых диодов
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 (по направлению 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,
− обозначения 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
1. 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
2. Шалимова К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 392 с., ил. – УДК 537 Ш183
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.
Основными процессами при преобразовании информационных сигналов являются усиление, генерирование, передача, накопление, хранение сигналов и выделение их на фоне шумов.
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,
− 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 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 и выполняемым функциям электронные приборы делят на:
− выпрямительные, преобразующие разнополярный переменный ток в однополярный переменный ток,
− усилительные,
− генераторные,
− переключательные,
− преобразовательные,
− индикаторные и т.д.
По диапазону рабочих частот различают:
− низкочастотные и среднечастотные ( 
МГц),
|
|
|
− высокочастотные (
МГц) и
− сверхвысокочастотные (
МГц) электронные приборы.
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 на выводах 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.
|
|
|
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. 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 и 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 предельно 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 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 (СхЭ), содержащей электронные приборы, называют систему линейных и нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих процессы в принципиальной электрической схеме 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 мощности на элементах схемы,
− в динамическом режиме − коэффициент 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 специальных измерений.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом, а в настоящее время просто диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Основным свойством полупроводникового диода является односторонняя проводимость электрического тока. По аналогии с электровакуумным диодом электроды полупроводникового диода называют "анодом" и "катодом". Направление движения электрического тока от анода к катоду считают положительным.
|
|
|
12 |
