1 Wykorzystując model pasmowy przedstawić zjawiska zachodzące w półprzewodniku samoistnym, donorowym i akceptorowym. Jakie nośniki występują w tych półprzewodnikach?
Półprzewodnik samoistny
K
oncentracja
dziur i elektronów jest taka sama, nie posiada zbyt wielu elektronów
swobodnych, a co za tym idzie jego konduktywność jest stosunkowo
mała.
P
ółprzewodnik
donorowy
O
trzymujemy
go po wprowadzeniu do sieci krystalicznej czystego przewodnika
pierwiastków pięciowartościowych (np. fosforu). Dodatkowy 5
elektron (4 są wykorzystywane w procesie wiązań chemicznych) jest
elektronem swobodnym i przemieszcza się pod wpływem pola
elektrycznego. Powstaje więc nieruchomy jon dodatni jednostki
donorowej. W rezultacie otrzymuje się więcej elektronów w paśmie
przewodnictwa niż dziur w pasmie walencyjnym. Otrzymany
półprzewodnik nosi nazwę półprzewodnika typu N (ang. negative).
Półprzewodnik akceptorowy
Dziury są nośnikami większościowymi. Elektrony, które są generowane w wyniku istnienia półprzewodnictwa samoistnego są nośnikami mniejszościowymi.
***********************************************************************************************
2. Przedstawić i omówić zależność temperaturową (T) przewodności σ półprzewodnika domieszkowanego. Wykres należy sporządzić we współrzędnych 1/T, σ.
Ruchliwość nośników maleje wraz z temperaturą oraz wzrostem koncentracji domieszek.
***********************************************************************************************
3. Co to są termistory i jakie są ich rodzaje oraz co to są warystory.
Termistory - półprzewodnikowe elementy bierne, o zmiennym oporze, mogą być zbudowane z dowolnego rodzaju półprzewodnika. W zależności od przeznaczenia dobiera się odpowiedni rodzaj materiału uwzględniając przede wszystkim: współczynnik temperaturowy oporu, temperaturę topnienia, oporność elektryczną sobstancji. Każdy termistor ma dwie elektrody przeciwległe, za pomocą których jest podłączany do obwodu. Wyróżniamy trzy rodzaje: NTC – o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji, PTC – o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji, CTR – o skokowej zmianie rezystancji
Zastosowania: do pomiaru temp. metodą oporową, do pomiaru mocy pola wielkiej częstotliwości, do zabezpieczania obwodów elektrycznych, w układach sygnalizacji / stabilizacji/ regulacji temperatury
Warystory - rezystory wykonane z półprzewodnika, których rezystancja zależy od napięca doprowadzonego do ich wyprowadzeń. Mają nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową. Parametry: wsp. nieliniowości, wyznaczany na podst. pomiarów spadków napięć wywołanymi różnymi prądami; napięcie charakterystyczne; moc znamionowa. Główne zastosowania: zabezpieczanie urządzeń przed przepięciami.
***********************************************************************************************
4. Co to są magnetorezystory i hallotrony?
Magnetorezystory (Gausotrony) – elementy półprzewodnikowe bezzłączowe, charakteryzujące się silną zależnością rezystancji od indukcji pola magnetycznego. Zasada działania opiera się na zjawisku magnetorezystywnym Gausa. Przejawia się ona wzrostem rezystywności materiału półprzewodnikowego pod wpływem pola magnetycznego, a wiąże się głównie ze zmianą toru ruchu nośników ładunku.
Podstawowymi parametrami magnetorezystorów są: rezystancja początkowa R0 i wsp. magnetorezystancji M=Rb/R0 podawany oddzielnie dla zakresu słabego i silnego pola magnetycznego. Stosuje się je przede wszystkim do pomiaru gradientu pól magnetycznych w szerokim zakresie zmian wartości indukcji, do pomiaru mocy elektrycznej.
Halotron - element półprzewodnikowy, ma kształt płytki prostopadłościennej. Na jej krawędziach umieszczone są 4 elektrody. W elemencie tym wykorzystane jest zjawisko Halla, polega ono na tym, że jeżeli przez płytkę płynie prąd i jednocześnie na płytkę działa pole magnetyczne o indukcji B prostopadłej do powierzchni płytki to między elektrodami napięciowymi powstaje różnica potencjałów. Hallotrony tworzy się zazwyczaj z materiał półprzewodnikowych monokrystalicznych lub polikrystalicznych, lub są naparowywane na podłoże izolacyjne tworząc cienką warstwę.
Zastosowania hallotronów to przede wszystkim pomiar pola magnetycznego, regulacja pola magnetycznego, pomiar wielkości nieelektrycznych (kąt obrotu, przesuniecie, ciśnienie), mierniki przesunięć fazowych.
***********************************************************************************************
5. Opisać zjawiska zachodzące w niespolaryzowanym złączu PN. Co to jest bariera potencjału. Opisać stan równowagi utrzymywany przez tę barierę.
W obszarze P nośnikami większościowymi są dziury, natomiast w obszarze N nośnikami większościowymi są wolne elektrony. W wyniku dyfuzji wolne elektrony przepływają do obszaru P gdzie stają się nośnikami mniejszościowymi, natomiast dziury przepływają do obszaru N (i też stają się nośnikami mniejszościowymi). Na skutek rekombinacji nośników większościowych i mniejszościowych powstaje obszar ładunku przestrzennego, który powoduje z kolei powstanie pola elektrycznego E. Pole E skierowane jest w sposób uniemożliwiający dalszą dyfuzję. Powstaje tzw. warstwa zaporowa, z którą łączy się istnienie bariery potencjału.
Nośniki mniejszościowe powstają w warstwie zaporowej na skutek działań termicznych, unoszone są zgodnie z działaniem pola elektrycznego do obszaru o przeciwnym domieszkowaniu. Powstaje stan równowagi pomiędzy hamowanej polem E dyfuzji nośników większościowych a unoszeniem w polu E nośników mniejszościowych. Prąd płynący przez złącze jest równy zero.
***********************************************************************************************
6. Opisać zjawiska zachodzące w złączu PN spolaryzowanym w kierunku zaporowym i przewodzenia. Jakie prądy płyną w każdym z tych przypadków? Co dzieje się z barierą potencjału?
P
olaryzacja
w kierunku przewodzenia: Polaryzacja zewnętrzna jest przeciwna do
biegunowości napięcia dyfuzyjnego. Maleje bariera potencjału
zaporowego i szerokość warstwy zaporowej. Zwiększa się prąd
dyfuzyjny. Gdy napięcie zewnętrzne zbliża się do wartości
bariery potncjłu to prąd gwałtownie rośnie.
P
olaryzacja
w kierunku zaporowym: Bariera potencjału zwiększa się o wartość
napięcia U. Szerokość warstwy zaporowej rośnie. Przez złącze
Łynie tylko prąd nośników mniejszościowych nazywany prądem
wstecznym. Prąd ten jest sumą prądu związanego z generacją
nośników mniejszościowych w obszarach P i N oraz generacją
nośników w samej warstwie zaporowej. W warstwie zaporowej nośniki
są generowane pod wpływem pola elektrycznego oraz wyniku powielania
lawinowego.
***********************************************************************************************
7 Narysować i opisać charakterystykę diody PN, z uwzględnieniem obszaru przebicia. Dlaczego nie można przekroczyć w kierunku przewodzenia napięcia, które jest równe wielkości bariery potencjału istniejącej w złączu niespolaryzowanym.
U
F
– napięcie przewodzenia
UR – napięcie zaporowe
UP – napięcie przebicia
ΦB – napięcie progowe
Nie można przekroczyć napięcia UF. Gdy napięcie na złączu zbliża się do UF to prąd IF gwałtownie rośnie. Szybciej zniszczeniu ulegnie dioda niż napięcie na złączu przekroczy UF.
***********************************************************************************************
8 Co to jest linia długa i do czego służy? Dlaczego do opisu linii długiej nie można stosować praw Kirchoffa?
Linia długa jest obiektem fizycznym składającym się z dwóch przewodów. Układ dwóch przewodów wytwarza pod wpływem płynącego prądu strumień magnetyczny, posiada pojemność elektryczną. Przewody elektryczne charakteryzują się opornością odpowiedzialną za straty przesyłanej energii. Izolacja pomiędzy przewodami charakteryzuje się upływnością odpowiedzialną za straty przesyłanej energii.
Zastosowanie: przesyłanie energii, telekomunikacja, systemy antenowe, układy pomiarowe.
Równania Kirchoffa SA słuszne tylko dla obwodów o stałych skupionych.
9 Opisać jak działa prostownik jednopołówkowy, dwupołówkowy wykorzystujący 2 uzwojenia wtórne transformatora, podwójny prostownik dwupołówkowy dostarczający napięcia o przeciwnej biegunowości oraz układ Greta. Wszystkie typy prostowników rozpatrujemy w wersji z filtrem pojemnościowym
P
rostownikiem
jednopołówkowym
nazywamy taki prostownik, w którym po procesie prostowania pozostają
tylko te części przebiegu, które są jednego znaku a części
przeciwnego znaku pozostają wyeliminowane. Przy odpowiednio dobranej
wartości pojemności utrzymuje się na wyjściu napięcie o wartości
zbliżonej do wartości szczytowej napięcia wejściowego. Parametry
układu zależą od stałych czasowych ładowania ł
i rozładowania r.
Dużą stałą czasową r
uzyskuje się przy dużych rezystancjach obciążenia. Jeżeli ł
maleje, to ładowanie kondensatora odbywa się szybciej, tętnienia
maleją. Składowa stała napięcia wyjściowego wzrasta. Jeżeli r
wzrasta, to rozładowanie kondensatora przebiega wolniej, tętnienia
także maleją. Napięcie na kondensatorze dąży do wartości
szczytowej napięcia zmiennego.
Prostownikiem dwupołówkowym nazywamy taki prostownik, w którym po procesie prostowania pozostają części przebiegu, które są tego samego znaku i dodają się do nich – po zmianie znaku – części, które miały znak przeciwny.
Podwójny prostownik dwupołówkowy dostarczający napięcia o przeciwnej biegunowości:
Układ Gretza:
***********************************************************************************************
10. Opisać 2 główne mechanizmy przebicia złącza PN. Narysować schemat i opisać działanie stabilizatora napięcia z diodą Zenera.
Mechanizm przebicia
Przy zwiększaniu napięcia polaryzującego diodę w kierunku zaporowym prąd diody osiąga wartość ustaloną - prąd nasycenia, a jednocześnie rośnie natężenie pola elektrycznego w obszarze ładunku przestrzennego. Wzrost natężenia pola elektrycznego powoduje zwiększenie szybkości nośników prądu, które po przekroczeniu granicznej wartości będą powodowały powstawanie nowych nośników prądu podczas zderzeń z obojętnymi cząstkami. Nowe nośniki powodują zwiększenie wartości prądu i mogą stać się źródłem powstawania kolejnych nośników. Proces ten nazywany lawinowym prowadzi do szybkiego wzrostu prądu w kierunku zaporowym. Zjawisko to nazywamy przebiciem i może ono doprowadzić do uszkodzenia diody. Napięcie przy jakim zachodzi, nazywane jest napięciem przebicia UP.
Stabilizator napięcia wykorzystujący diodę Zenera:
N
apięcie
wyjściowe jest napięciem na diodzie Zenera:
Uwy=UZ=9,1V
Ponieważ Uwy=IR + UZ, stąd UWY= Uwe-IR
Napięcie wyjściowe jest równe Uwy = UZ1. Jeżeli napięcie wejściowe zwiększymy o DUwe, to punkt pracy zmieni się (UZ2, IZ2). Zwiększenie wartości napięcia wejściowego powoduje wzrost prądu I oraz wzrost prądu diody i napięcia wyjściowego. Zmiana napięcia wejściowego DUwe powoduje dużo mniejszą zmianę wartości napięcia wyjściowego DUwy (DUwe >> DUwy)wokół ustalonej wartości UZ. Uzyskuje się w taki sposób stabilizacje napięcia wyjściowego od zmian napięcia wejściowego. W układzie tym tętnienia napięcia wejściowego są przekazywane na wyjście jako wielokrotnie mniejsze.
***********************************************************************************************
11. Na rysunku przedstawiono segment linii długiej o długości Δx. Ułożyć 2 równania opisujące taki układ.
***********************************************************************************************
12. Linię długa można wykorzystać jako transformator impedancji. Pamiętamy, że β=2π/λ, gdzie λ jest długością fali. Wykazać a) jeżeli linia dopasowana do obciążenia ZL=ZC, to Zwe=ZL. b) linia o długości λ/2 jest przeźroczysta tzn. nie transformuje impedancji ZL.
a)
ZL=ZC, czyli brak fali odbitej. Cała energia w linii dostarczana jest do obciążenia. Jest to tzw. dopasowanie falowe.
b)
***********************************************************************************************
13. Omówić zasadę generacji drgań sinusoidalnych w układzie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym.
Załóżmy najpierw, że u0 = 0 i rozwieramy pętle sprzężenia zwrotnego (przełącznik P ustawiamy w góre). W ten sposób wzmacniacz W został połączony z generatorem G napięcia sinusoidalnego ug o małej amplitudzie A (u1 = ug). Wzmacniacz W wzmacnia to napięcie i jednocześnie odwraca fazę. Częstotliwość napięcia wyjściowego u2 jest taka sama jak napięcie ug.
Jeżeli teraz wejście wzmacniacza przełączymy błyskawicznie na wyjście elementu sprzęgającego S, to u1 = u3 i kształt napięcia u3 nie ulegnie zmianie tlyko wówczas, gdy przed przełączeniem napięcie sprzężenia u3 było takie samo( pod względem amplitudy i fazy), jak napięcie ug otrzymywane z generatora. W takim przypadku wzmacniacz nie odczuje przełączenia i stanie się generatorem.
Podstawą działania każdego generatora jest podanie części sygnału z wyjścia wzmacniacza operacyjnego na wejście. Wytworzenie prawidłowego przebiegu sinusoidalnego wymaga precyzyjnego spełnienia warunków:
przesunięcia fazy
utrzymanie odpowiedniego wzmocnienia
***********************************************************************************************
14. Narysować uproszczone schematy generatorów Meissnera, Hartleya i Colpittsa. Pamiętając, że w generatorach tych wykorzystywane są wzmacniacze odwracające fazę, wyjaśnić jakościowo jak w układach sprzężenie zwrotnego uzyskuje się niezbędne dodatkowe przesunięcie fazy o 1800.
Sprzężenie
zwrotne jest zrealizowane za pomocą transformatora, którego
uzwojenie wtórne o indukcyjności L wraz z kondensatorem C tworzy
obwód rezonansowy. Parametry tego obwodu określają częstotliwość
drgań. Ponieważ przy częstotliwości rezonansowej napięcie na
wyjściu wzmacniacza jest przesunięte względem napięcia na wejściu
o wartość π, to warunek fazy wymaga, aby transformator wprowadził
dalsze przesunięcie fazy o π.
Transformator został zastąpiony cewką z dzielonym uzwojeniem L1 i L2. Indukcyjność tej cewki L = L1 + L2 wraz z kondensatorem C dołączonym równolegle, określają częstotliwość drgań. Na wyjściu wzmacniany jest prąd I. W obwodzie rezonansowym LC pojawia się prąd Ir. Wartość prądu Ir jest większa od prądu I. Pomiędzy punktami V1 i V2 pojawia się przesunięcie fazowe równe π. Jest to dodatkowe przesunięcie fazowe(pierwsze we wzmacniaczu o π).
Cechą charakterystyczną jest pojemnościowy dzielnik napięcia C1, C2. Od pojemności zastępczej kondensatorów C1 i C2 połączonych szeregowo i indukcyjności L zależy częstotliwość drgań
15. Co to jest oscylator kwarcowy i jakie są jego podstawowe właściwości?
O
scylator
kwarcowy jest stosowany zamiast klasycznego obwodu rezonansowego RLC.
W generatorach dużej częstotliwości wykorzystuje się zjawisko
rezonansu na płytce kwarcowej. Odpowiednio uformowana przez cięcie,
szlifowanie oraz napylana srebrem w celu uzyskania elektrycznych
wyprowadzeń płytka stanowi doskonały element stabilizujący.
Częstotliwość drgań własnych jest zależna od wymiarów
geometrycznych i w niewielkim stopniu od temperatury.
S
chemat
zastępczy oscylatora kwarcowego
Układ ten posiada dwie częstotliwości rezonansowe:
częstotliwość rezonansu szeregowego – odpowiednik częstotliwości rezonansu mechanicznego płytki
częstotliwość rezonansu równoległego – występuje przy nieco wyższej częstotliwości i zależy od wartości pojemności
Pomiędzy rezonansami oscylator kwarcowy zachowuje się jak cewka o dużej dobroci i dużej indukcyjności zależnej od częstotliwości.
Oscylatory kwarcowe charakteryzują się wysoka stabilnościa i małą zależnosicią częstotliwości rezonansowej od czynników zewnętrznych w porównaniu z układami LC i RC. Stosowane są jako wzorce częstotliwości.
***********************************************************************************************
16. Podać przykład i opisać działanie generatora RC.
Rola przesuwnika fazowego sprowadza się do dopasowania fazy między wyjściem i wejściem wzmacniacza , tak aby wystąpiło dodatnie sprzężenie zwrotne.
Rys. przedstawia przesuwnik fazowy RC górnoprzepustowy , gdybyśmy zamienili miejscami kondensatory z opornikami otrzymalibyśmy przesuwnik fazowy dolnoprzepustowy. Przy jednakowych elementach w ogniwach RC otrzymuje się częstotliwości generacji :
dla
górnoprzepustowego
dla
dolnoprzepustowego
Dla tych częstotliwośći przesunięcie fazy jest równe π oraz tłumienie obwodu sprzęgającego jest 29-krotne (transmisja 1/29). Z tego powodu dla spełnienia warunku generacji wzmocnienie wzmacniacza dołączonego do obwodu RC powinno być większe od 29.
Układy generatorów z przesuwnikami fazowymi wykorzystuje się wówczas, kiedy nie sa stawiane duże wymagania tj. kiedy nie jest potrzebny sygnał o małych zniekształceniach nieliniowych i o dużej stałości amplitudy.
***********************************************************************************************
17. Narysować schemat podwajacza i mieszacza częstotliwości wykorzystującego diodę PN. Zakładając, że charakterystyka diody daje się aproksymować funkcją I=kU2, wyjaśnić zasadę podwajania i mieszania częstotliwości.
Podwajacz czestotliwosci:
W obwodzie prądu zmiennego mamy tylko jedno źródło napięciowe dające napięcie U2 = A*sin(ω1* t). Na diodzie otrzymamy prąd
Po podniesieniu wyrażenia do kwadratu otrzymamy składową proporcjonalną do sin(2* ω1*t), zatem dioda może pracować jako podwajacz częstotliwości.
Mieszacz częstotliwości:
W obwodzie prądu zmiennego znajdują się dwa źródła napięciowe a*Sin(ω1*t) oraz B*Sin(ω2*t). Na diodzie otrzymamy prąd:
P
o
podniesieniu wyrażenia do kwadratu otrzymamy składowe
proporcjonalne do sin(ω1*t
+ ω2*t)
oraz sin(ω1*t
– ω2*t)
, zatem dioda może pracować jako mieszacz częstotliwości.
rys: schemat układu realizującego podwajanie /mieszanie częstotliwości
***********************************************************************************************
18. Co to jest dioda pojemnościowa (varicap)? Narysować orientacyjną charakterystykę takiej diody. Jakie zjawisko jest wykorzystywane w czasie pracy diody pojemnościowej? Narysować schemat układu wykorzystującego taką diodę. Opisać podstawowe zastosowanie diody pojemnościowej. Jaka jest główna wada tej diody?
Dioda pojemnościowa varicap wykorzystuje zależność pojemności złącza PN od napięcia wstecznego.
Vv
– napięcie polaryzujące, Cv
– pojemność diody, R
– oporność oporników w obwodzie polaryzacji, C
– pojemność kondensatorów sprzęgających. Aby zachodziła
poprawna praca musi być spełniony następującye warunki
oraz
,
gdzie ω
– częstotliwość pracy.
D
iody
pojemnościowe znajdują zastosowanie w szerokim zakresie
częstotliwości od częstotliwości radiowych do częstotliwości
mikrofalowych (tzn od kHz do kilku GHz). Niestety może pracować
tylko przy małych mocach.
Charakterystyka diody pojemnościowej.
***********************************************************************************************
19. Co to jest, jak działa i do czego służy dioda PIN? Narysować i opisać schemat przykładowego układu wykorzystującego diodę PIN?
Dioda PIN – używana jest jako element o zmiennej impedancji w układach elektronicznych bardzo wielkich częstotliwości. Posiadają mała rezystancję w kierunku przewodzenia i małą pojemność w kierunku zaporowym. W rezultacie odznaczają się niskim tłumieniem gdy są załączone i wysokim tłumieniem gdy nie przewodzą. Cechą charakterystyczną diody jest występowanie bezwładności przy przełączaniu która sprawia że dioda nie nadąża ze swoją charakterystyką za zmianami sygnałów na wejściu. Stosowana jest w tłumikach sterowanych prądowo oraz do przełączania sygnałów.
Dioda PIN – posiada izolator (I).
Przełącznik mechaniczny. Przełącznik elektroniczny.
Gdy dioda ma przełączać sygnały o dużych mocach to występują duze prądy i złącze musi mieć dużą powierzchnię co łączy się z występowaniem znacznej pojemności złącza PN. Przełącznik wykorzystujący taką diodę nie będzie działać prawidłowo.
D
ioda
ta posiada szkodliwą pojemność złącza Cp
gdzie:
gdzie: ε – przenikalność izolatora (SiO2), S – powierzchnia złącza, d – grubość izolatora.
Polaryzacja przewodzenia zachodzi poprzez wstrzykiwania elektronów i dziur do obszarów izolatora. Jeżeli czas życia tych nośników jest wystarczająco długi to tworzy się ładunek przestrzenny (skompensowany) tzn. jest wystarczająca gęstość nośników i dioda przewodzi.
Polaryzacja zaporowa zachodzi poprzez wyciąganie z obszarów izolatora nośników, czego wynikiem jest nie przewodzenie diody. Jej pojemność pasożytnicza jest niewielka.
***********************************************************************************************
20. Co to jest i jak działa dioda świecąca (LED)? Omówić zasadę pracy wskaźnika 7-segmentowego wykorzystującego takie diody.
W złaczu PN zachodzi rekombinacja par elektron dziura. Wydzielona energia oddana zostaje sieci krystalicznej i zamienia się w ciepło. Rekombinacja promienista: gdy elektrony i dziury mają zbliżony pęd to wypadkowy pęd po rekombinacji jest mały i energia nie jest przekazywana sieci krystalicznej lecz jest wypromieniowana. Długość fali promieniowania zależy od szerokości przerwy energetycznej.
***********************************************************************************************
21. Jak działa dzielnik częstotliwości przez 10 pracujących w systemie BCD? Co to jest system BCD?
Podstawowym elementem licznika impulsów jest dzielnik częstotliwości przez 10 tzw. dekada. Dzielnik ten jest jednocześnie licznikiem od 0 do 10. Licznik taki pracuje w systemie BCD (Binary Coded Decimal).
Na wejsciu podawany jest ciąg impulsów 0,1 w systemie TTL (0 znaczy 0V, 1 to 5V).
co dziesiąty impuls wejściowy pojawia się na wyjsciu. Reset odpowiada
za sprowadzanie stanu licznika do zera.
Liczba sygnałów odpowiada określonemu stanowi wyjść ABCD.
22. Co to jest dekoder BCD 7-segmentów? Narysować schemat i opisać działanie zespołu: dzielnik przez 10, dekoder BCD 7-segmentów, wskaźnik LED 7-segmentów.
Podstawowym elementem dzielnika impulsów jest dzielnik częstotliwości przez 10 (tzn. dekada). Dzielnik ten jest jednocześnie licznikiem od 0 do 10. licznik ten pracuje w systemie BCD (binacy coded decimal)
N
a
wejsciu podawany jest ciąg impulsów 0,1 w systemie TTL (0 znaczy
0V, 1 to 5V).
co dziesiąty impuls wejściowy pojawia się na wyjsciu. Reset odpowiada za sprowadzanie stanu licznika do zera.
Liczba sygnałów odpowiada określonemu stanowi wyjść ABCD.
Kaskadowe łączenie dzielników przez 10 umożliwia zbudowanie licznika
dekadowego: jedności – dziesiątki – setki – tysiące - … . Każda dekada jest wyposażona w pojedynczy wskaźnik cyfrowy 0 – 9. W systemie 7 – segmentowym stosuje się dekodery: BCD – 7 segmantów (BCD to selen segments dekoder).
Wskaźnik LED – Dekoder – dzielnik przez 10.
Aby konkretny segment świecił na odpowiednim wyjściu dekodera musi pojawić się zwarcie. Oporniki R ograniczają prądy płynące przez poszczególne segmenty.
***********************************************************************************************
23. Narysować model tranzystora NPN z uwzględnieniem obwodów polaryzacji i płynących prądów. Opisać zasadę działania takiego tranzystora, co to jest współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnej bazy α oraz współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie wspólnego emitera β.
Tranzystor bipolarny NPN.
Tranzystor bipolarny posiada dwa złącza p-n wytworzone w jednej płytce półprzewodnikowej. Ze względu na kolejność ułożenia warstw półprzewodnika rozróżniamy dwa typy tego tranzystora. (npn,pnp)
Nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury. Aby tranzystor wzmacniał należy go odpowiednio spolaryzować tzn. w taki sposób, aby złącze emiterowe było spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektorowe w kierunku wstecznym.
Dla tranzystora n-p-n.: Zasada wzmacniania polega na tym że sygnał wejściowy steruje ilością mocy jaką oddaje źródło UCB do obciążenia. Równania tranzystora :UBE + UCB = UCE , IE = IB + IC Obowiązują w każdym zakresie pracy. Zakładając ze ICBO=0 :
IC= IE + ICBO => =IC/IE (wzmocnienie w ukladzie wspolnej bazy)
IC=
IE +ICBO
=> =IC/IE
(wzmocnienie w
ukladzie wspolnego emitera)
***********************************************************************************************
24. Narysować schemat i wyjaśnić działanie wtórnika emiterowego z tranzystorem NPN. (Pamiętamy, że UWE=UWY+0,6V). Wykazać, że oporność wejściowa wtórnika jest β razy większa od oporności obciążenia.
Wtórnik emiterowy.
N
apięcie
wejściowe jest większe od napięcia wyjściowego o 0,6V, czyli o
wartość napięcia na złączu PN spolaryzowanym w kierunku
przewodzenia
.
Jeżeli napięcie wejściowe zmieni się o
to napięcie wyjściowe zmieni się o taką samą wartość:
,
gdzie
.
Zatem
.
Zmiany napięcia na wyjściu podążają za zmianami napięcia na
wejściu
.
Zakładając, że
uzyskujemy:
,
.
Oporność wejściowa wtórnika emiterowego zatem wynosi:
***********************************************************************************************
25. Narysować schemat i opisać zasadę działania stabilizatora napięcia wykorzystującego diodę Zenera i wtórnik emiterowy.
Stabilizator napięcia wykorzystujący diodę Zenera:
Najprostszym układem stabilizacji napięcia jest stabilizator z diodą Zenera. Znalazł on zastosowanie w prostych zasilaczach lub jako źródło napięcia odniesienia. Układ stabilizatora napięcia z diodą Zenera przedstawiono na rysunku
Napięcie wyjściowe jest napięciem na diodzie Zenera: Uwy=UZ=9,1V
Ponieważ Uwy=IR + UZ, stąd UWY= Uwe-IR
Napięcie wyjściowe jest równe Uwy = UZ1. Jeżeli napięcie wejściowe zwiększymy o DUwe, to punkt pracy zmieni się (UZ2, IZ2). Zwiększenie wartości napięcia wejściowego powoduje wzrost prądu I oraz wzrost prądu diody i napięcia wyjściowego. Zmiana napięcia wejściowego DUwe powoduje dużo mniejszą zmianę wartości napięcia wyjściowego DUwy (DUwe >> DUwy)wokół ustalonej wartości UZ. Uzyskuje się w taki sposób stabilizacje napięcia wyjściowego od zmian napięcia wejściowego. W układzie tym tętnienia napięcia wejściowego są przekazywane na wyjście jako wielokrotnie mniejsze.
***********************************************************************************************
26. Narysować orientacyjne charakterystyki (parametrem jest prąd bazy IB) wyjściowe (IC w funkcji UCE) tranzystora NPN. Następnie na podstawie „bardzo uproszczonego modelu tranzystora bipolarnego pracującego w układzie OE ” wykazać, że charakterystyka wyjściowa takiego tranzystora jest linią prostą, której nachylenie jest odwrotnie proporcjonalne do oporności wyjściowej tranzystora RCE.
N
achylenie
charakterystyk wyjściowych tranzystora spowodowane jest wpływem
napięcia
na jego pracę. W efekcie zastępcze źródło prądowe na wyjściu
posiada skończoną oporność wyjściową
.
Mając w obwodzie wyjściowym modelu znane źródło napięciowe
,
opornik
i źródło prądowe
możemy wyznaczyć
.
Korzystając z I prawa Kirchoffa otrzymujemy, że:
biorąc
pod uwagę prawo Ohma dostajemy, że:
skąd:
Uzyskane
równanie poprawnie opisuje przedstawione powyżej charakterystyki
tranzystora w zakresie prostoliniowym. Wyjście tranzystora
pracującego w układzie OE ma więc charakter rzeczywistego źródła
prądowego.
***********************************************************************************************
26. Narysować schemat i opisać jak działa 3-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy z opornikami ważonymi.
D
o
wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego są dołączone
wszystkie rezystory sieci, tworząc wspólną szynę sieci. Ponieważ
wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia
zwrotnego jest nieskończenie duże, potencjał wejścia
odwracającego wzmacniacza operacyjnego jest równy zeru, dzięki
czemu prądy przepływające przez poszczególne tranzystory nie
oddziałują na siebie. Jeśli wartość sygnału sterującego k-tym
kluczem przetwornika jest równa 1, to klucz ten zostaje zamknięty i
prąd przepływający przez odpowiedni rezystor do wspólnej końcówki
sieci jest równy Uref
/ (2k-1R).
Przy założeniu ze rezystancja wyjściowa źródła napięcia
odniesienia jest równa zeru wartość prądu I0
opisać można równaniem:
27. Narysować schemat i opisać jak działa 3-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy typu „flash”. Jakie są ograniczenia tego typu przetworników?
Przetworniki
tego typu są najszybsze ze wszystkich rodzajów przetworników
analogowo-cyfrowych. Metoda przetwarzania amplitudy sygnału
analogowego na 3-bitową postać cyfrową, polega na jednoczesnym
porównaniu tego sygnału za pomocą 23-1
kompaktorów z odpowiednimi częściami napięcia odniesienia,
wytworzonymi za pomocą dzielnika rezystorowego. Dzielnik taki składa
się z 23
rezystorów. Kod na wyjściach kompaktorów określany jest jako kod
termometryczny. Sygnały wyjściowe wszystkich komaktórów o
napięciu Vref
mniejszym lub równym napięciu wyjściowemu Vin,
są równe 1, a pozostałe mają wartośc 0. Układ dekodera
priorytetowego dokonuje konwersji kombinacji sygnałów logicznych na
wyjściach kompaktorów na 3-bitowe słowa cyfrowe. Zaleta tego
przetwornika jest szybkość przetwarzania. Każdy cykl generuje
kolejne słowo cyfrowe.
Przetworniki typu „flash” tradycyjnie ograniczone były do 8-bitów i prędkości przetwarzania od 10 do 40 MHz. Wadą tego typu przetworników jest powierzchnia jak i duże zapotrzebowanie mocy dla 2n-1 kompaktorów. Szybkość przetwarzania ograniczona jest przez komparator i logikę cyfrową.
***********************************************************************************************
28. Przedstawić ogólnie zasadę pracy przetwornika analogowo-cyfrowego oraz cyfrowo-analogowego.
W ogólnym przypadku
przetwornik cyfrowo-analogow składa się z : n
– bitowego układu (bufora) wejściowego, zespołu przełączników
analogowych, źródła napięcia odniesienia i sieci rezystorów.
Do
wejścia przetwornika doprowadzony jest sygnał cyfrowy w postaci
n-bitowego
słowa cyfrowego. Na wyjściu przetwornika generowany jest natomist
proporcjonalny do cyfrowego sygnalu wejściowego sygnał analogowy
(prądowy lub napięciowy) o określonej wartości i znaku. Istnieje
kilka możliwości klasyfikacji przetworników C/A, które wynikają:
a)
z rodzaju zastosowanej sieci rezystorów precyzyjnych; w tym
przypadku wyróznia się przetworniki
z rezystorami wagowymi
lub sieciami rezystorów R-2R;
b) z rodzaju źródła sygnału odniesienia; w ten sposób można wskazać przetworniki z wewnętrznym i zewnętrznym źródłem sygnału odniesienia;
c) ze znaku wielkości wyjściowej; wyróżnić można w tym przypadku przetworniki unipolarne i bipolarne;
d) z rodzaju wielkości wyjściowej, która może być napięcie lub prąd.
Szerokie zastosowanie przetworników analogowo-cyfrowych w różnych dziedzinach powoduje, że ich charakterystyka musi spełniać wiele wymagań. Z punktu widzenia zastosowań praktycznych nadzwyczaj użytecznym podziałem przetworników A/C jest podział wg zasady przetwarzania analogowo-cyfrowego. W tym przypadku można wyróżnić dwie podstawowe grupy: metody pośrednie i z bezpośrednim porównaniem wielkości przetwarzanej z wielkością odniesienia. W metodach pośrednich następuje najpierw przetworzenie wielkości wejściowej (napięcia lub prądu) na wielkość pomocniczą (czas lub częstotliwość), która jest następnie porównywana z wielkości odniesienia i kodowana cyfrowo. W przypadku metod bezpośrednich wielkość wejściowa jest porównywana ze wzorcem napięcia odniesienia (rzadziej ze wzorcem prądu). Wśród metod porównania bezpośredniego można wskazać dodatkowo metody: kompensacyjne i porównania bezpośredniego.
***********************************************************************************************
29. Narysować schemat i opisać jak działa 3-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy z opornikami w układzie drabinkowym.
S
ieć
ta jest z jednej strony zamknięta rezystorem 2R podłączonym do
masy, natomiast drugą końcówka jest włączona do wejścia
wtórnika napięciowego zbudowanego na bazie wzmacniacza
operacyjnego. Drabinka rezystorów jest układem liniowym, którego
działanie może być rozpatrywane na podstawie twierdzenia o
superpozycji. W myśl tego twierdzenia udział każdego źródła
sygnału w tworzeniu sygnału wyjściowego może być rozpatrywany
niezależnie od pozostałych źródeł sygnału. Jeśli klucz
odpowiadający bitowi MSB jest w pozycji „1” a pozostałe klucze
są otwarte na wyjściu układu pojawi się napięcie