50477

Радиоэлектроника. Сборник лабораторных работ

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Изучение электронных стабилизаторов напряжения Пробой рn перехода Явление резкого возрастания обратного тока при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения называют пробоем рn перехода. Лавинный пробой обратим – после снижения напряжения процесс прекращается и ток резко падает. В отсутствии внешнего напряжения рис.

Русский

2014-01-24

3.95 MB

96 чел.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Сыктывкарский государственный университет

Кафедра радиофизики и электроники

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Сборник лабораторных работ

Сыктывкар 2006


Печатается по постановлению

Редакционно-издательского совета СыктГУ

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА. Сборник лабораторных работ / Под ред. И. В. Антонец, В. А. Буханцов, Л. Н. Котов, Л. С. Носов. Сыктывкар: Изд-во СыктГУ, 2006. 168 с.

Пособие является частью общего физического практикума и содержит описания лабораторных работ по радиоэлектронике. Все лабораторные работы состоят из двух частей: краткое описание теории исследуемого явления; описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы. Описаны методы обработки результатов измерений и рассмотрены погрешности физических величин.

Для студентов естественных специальностей и преподавателей вузов.


ОГЛАВЛЕНИЕ

[1]
ПРЕДИСЛОВИЕ

[2]
1. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

[2.0.1] Лабораторная работа № 1
Изучение полупроводниковых приборов с одним
р-n переходом (диодов)

[2.0.2]
Лабораторная работа № 2
Транзистор

[2.0.3]
Лабораторная работа № 3
Изучение вынужденных колебаний и явления резонанса в последовательном и параллельном колебательных контурах

[2.0.4]
Лабораторная работа № 4
Параметры приемника супергетеродинного типа

[2.0.5]
Лабораторная работа № 5
Изучение характеристик усилителя низкой
частоты на сопротивлениях

[2.0.6]
Лабораторная работа № 6
Тиратронный генератор релаксационных
колебаний

[2.0.7]
Лабораторная работа № 7
Мультивибратор

[2.0.8]
Лабораторная работа № 8
Детектирование

[2.0.9]
Лабораторная работа № 9
Изучение электронных стабилизаторов
напряжения

[2.0.10]
Лабораторная работа № 10
Генераторы гармонических колебаний

[2.0.11]
Лабораторная работа № 11
Электронные лампы

[2.0.12]
Лабораторная работа № 12
Полевые транзисторы

[2.0.13]
Лабораторная работа № 13
Изучение элементной базы, топологии и
конструкции полупроводниковых интегральных микросхем

[2.0.14]
Лабораторная работа № 14
Гибридные интегральные микросхемы

[2.0.15]
Лабораторная работа № 15
Цифровые микросхемы

[2.0.16]
Лабораторная работа № 16
Изучение дифференцирующих и интегрирующих цепей

[2.0.17]
Лабораторная работа № 17
Гармонический анализ

[3]
2. Анализ вычисления погрешностей и обработка результатов

[3.1] 2.1 Погрешность однократного измерения

[3.2] 2.2 Обработка результатов многократных измерений одной и той же величины

[3.3] 2.3 Погрешности косвенных измерений

[4]
Литература


ПРЕДИСЛОВИЕ

Сборник лабораторных работ по радиоэлектронике составлен в соответствии с программой курса «Основы радиоэлектроники» и содержит описания 17 лабораторных работ, которые разработаны преподавателями и сотрудниками физического факультета. Лабораторные работы пронумерованы в соответствие с установившейся нумерацией, имеющейся в лаборатории «Радиоэлектроника». В сборнике, во второй части, приведён анализ вычисления погрешностей, которые необходимо знать при выполнении лабораторных работ. Знакомство с этим разделом обязательно для всех, кто будет выполнять лабораторные работы. Порядок нумерации формул и рисунков в сборнике сохраняется внутри описания одной лабораторной работы. Библиографический список приведён для всех работ в конце сборника.

Часть работ предназначена для углублённого изучения предмета студентами специальности «Радиофизика и электроника». Лабораторные работы испытаны в лаборатории физического практикума «Радиоэлектроника» Сыктывкарского государственного университета.

Отзывы, замечания и предложения, касающиеся сборника, с благодарностью будут приняты по адресу: 167001, г. Сыктывкар, Октябрьский проспект, 55, Сыктывкарский государственный университет, кафедра радиофизики и электроники. Электронный адрес: krie@syktsu.ru.


1. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа № 1
Изучение полупроводниковых приборов с о
дним
р-n переходом (диодов)

Введение

В полупроводниках при  все валентные электроны участвуют в образовании ковалентных связей и удельная электропроводность равна . С повышением температуры или под влиянием облучения часть валентных электронов отрывается от своих атомов. На их местах остаются вакансии («дырки»), которые могут заниматься другими электронами. Для изучения процессов в полупроводниках «дырки» удобно рассматривать как частицы с положительным зарядом, равным заряду электрона. При комнатных температурах (порядка ) число свободных электронов (и, соответственно, равное ему число дырок) относительно невелико, и поэтому электропроводность полупроводников на несколько порядков ниже, чем у металлов, где в электропроводности участвуют все валентные электроны. С ростом температуры электропроводность чистых полупроводников (собственная проводимость) экспоненциально возрастает.

При введении в полупроводник донорной (n) или акцепторной (р) примеси в нем, наряду с собственными, появляются примесные электроны или дырки, причем их концентрация, практически равная концентрации атомов примеси, на  порядка выше, чем собственная, поэтому их называют “основными” носителями, в отличие от “неосновных” собственных. От температуры концентрация примесных носителей почти не зависит.

1. Электронно-дырочный переход (p-n переход)

Если привести в тесный контакт два куска полупроводника с основными носителями р и n типа, то в зоне контакта происходят следующие процессы (рис. 1).

Рис. 1.

Электроны из n области под действием значительной разности концентраций диффундируют в р область (диффузионный ток ), оставляя после себя нескомпенсированный положительный заряд ионов кристаллической решетки. Попав в р область, электроны рекомбинируют с имеющимися там дырками, тем самым в р области появляется нескомпенсированный отрицательный заряд решетки. Аналогично ведут себя и дырки (диффузионный ток ). В результате в тонком приграничном слое образуется область с пространственным зарядом (р-n переход), возникает электрическое поле с напряженностью . Оно препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Толщина перехода зависит от концентрации основных носителей: чем больше носителей, тем тоньше переход. Величина  зависит от толщины перехода и от материала полупроводника.

Кроме диффузионных токов, через переход протекают токи проводимости, связанные с движением собственных (неосновных) носителей, для которых поле перехода является ускоряющим – соответственно  и  – токи электронов и дырок. Суммарный диффузионный ток становится равным суммарному току проводимости, и на переходе устанавливается динамическое равновесие – результирующий ток равен .

2. Элементы зонной теории

Электроны в атоме могут иметь только определенные (квантованные) значения энергии. На каждом энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов. Т.к. атомы в кристалле взаимодействуют, энергетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны – зоны разрешенной энергии:

Рис. 2.

Они разделены областями энергии, которые электрон иметь не может - запрещенные зоны. Число уровней в зоне определяется числом атомов в кристалле, ширина запрещенной зоны - материалом кристалла.

Связанные валентные электроны имеют энергии, соответствующие уровням валентной зоны, свободные - уровням свободной зоны (зоны проводимости). У металлов ширина запрещенной зоны равна , у диэлектриков , у полупроводников  и меньше . У полупроводников при  все уровни валентной зоны заняты, все уровни зоны проводимости – свободны, т.е. проводимость равна . Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен получить энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, например, в результате тепловых колебаний. На месте ушедшего в зону проводимости электрона остается вакансия, которую может занять другой электрон валентной зоны. Определить вероятность нахождения электрона (или дырки) на том или ином энергетическом уровне при определенной температуре можно с помощью распределения Ферми-Дирака:

,             (1)

где  – постоянная Больцмана,  – абсолютная температура,  – энергия данного уровня,  – уровень Ферми – энергия, соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которого при любой  равна , а при  – все электроны расположены ниже этого уровня. Т.к. на энергетических уровнях в запрещенной зоне электроны находиться не могут, распределение Ферми-Дирака там не работает. Вид функции  при  и  показан на рис. 3:

Рис. 3.

Уровень Ферми в собственном полупроводнике располагается почти посередине запрещенной зоны. В полупроводниках n-типа в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости создается разрешенный (донорный) энергетический уровень, а уровень Ферми смещается от середины в сторону дна зоны проводимости тем сильнее, чем выше концентрация примеси. В полупроводниках р-типа акцепторный уровень располагается вблизи потолка валентной зоны, туда же смещается уровень Ферми.

Рис. 4.

При контакте р и n полупроводников образуется единая система с общим уровнем Ферми, причем на границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (рис. 4). Вследствие этого энергетические зоны в области р-n перехода смещаются относительно друг друга и образуется потенциальный барьер

,                               (2)

где  – минимальная энергия, необходимая электрону (или дырке), для перехода в смежную область,  – заряд электрона. Для германия , для кремния .

3. Вольт-амперная характеристика р-n перехода

Прикладывая к р-n переходу внешнее напряжение U в прямом (рис. 5а) или обратном (рис. 5б) направлении, мы тем самым изменяем высоту потенциального барьера.

Изменение высоты потенциального барьера вызывает изменение количества основных носителей, способных

а)

б)

Рис. 5.

этот барьер преодолеть, и диффузионный ток экспоненциально изменяется:

                       (3)

Поскольку ток проводимости  от  не зависит, а начальные (в отсутствии ) токи , то результирующий ток

                  (4)

Это уравнение вольт-амперной характеристики р-n перехода. Вид характеристики  для двух различных температур приведен на рис. 6, причем для прямой и обратной ветви взяты разные масштабы по оси тока. (Штриховой линией показана вольт-амперная характеристика перехода при .) (масштаб)

Рис. 6.

4. Пробой р-n перехода

Явление резкого возрастания обратного тока при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения называют пробоем р-n перехода. Он может вызываться различными причинами. Рассмотрим некоторые из них.

4.1. Тепловой пробой

Почти вся тепловая мощность  выделяется в тонкой области перехода. Если теплоотвод недостаточно эффективен, переход нагревается, возрастает обратный ток, соответственно растет выделяемая мощность, растет температура и т.д. и может возникнуть процесс неограниченного возрастания обратного тока при постоянном обратном напряжении, вплоть до разрушения структуры перехода, когда температура превысит допустимую.

4.2. Лавинный пробой

Лавинный пробой возникает в достаточно широких р-n переходах. Собственные электроны ускоряются электрическим полем перехода и могут получить энергию, достаточную для ионизации атома. После ионизации атома возникает уже два свободных электрона, которые в свою очередь ускоряются полем и т.д. В результате ток лавинообразно нарастает. Лавинный пробой обратим – после снижения напряжения процесс прекращается, и ток резко падает.

4.3. Туннельный пробой

Если ширина перехода очень мала, то электрон может с некоторой вероятностью оказаться в области по другую сторону потенциального барьера, хотя его энергия меньше высоты барьера. Необходимо, разумеется, чтобы в области за барьером был соответствующий не занятый энергетический уровень. Энергия электронов при туннельном переходе не меняется.

5. Стабилитроны

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 7. Он работает при обратном включении. (рис. 7)

Рис. 7.

При достижении  ток резко возрастает. Напряжение стабилизации  зависит от материала, из которого изготовлен стабилитрон (кремний), концентрации примесей и технологии изготовления и составляет для разных типов стабилитронов от единиц до сотен вольт. Вид характеристики объясняется одновременным наличием туннельного и лавинного пробоев. При  основную роль играет туннельный пробой, при более высоких  определяющим становится лавинный пробой. Основные параметры стабилитрона – , , , дифференциальное сопротивление. (Способы использования стабилитронов рассмотрены в работе № 9.)

6. Туннельные диоды

При значительном повышении концентрации примесей – до  атомов на  – (вырожденные полупроводники) – атомы примесей начинают взаимодействовать друг с другом, и донорный (акцепторный) уровень расщепляется в зону, примесные уровни перекрываются с основными зонами. В результате уровень Ферми оказывается внутри разрешенных зон энергии. Из-за высокой концентрации примесей р-n переход в изготовленных из вырожденных полупроводников в туннельных диодах получается очень тонким, около , это примерно в  меньше, чем в других диодах, поэтому становится возможным туннельный эффект. Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его зонные диаграммы приведены на рис. 8.

Рис. 8.

Рассмотрим процессы в диоде на примере электронов, для дырок картина будет аналогичной. Число электронов, имеющих энергию больше уровня Ферми, очень мало. Способность электронов туннелировать в соседнюю область на рисунках обозначена стрелкой.

В отсутствии внешнего напряжения (рис. 8.2) уровни Ферми в р и n областях выравниваются, при этом остальные уровни искривляются настолько сильно, что потолок валентной зоны в р области оказывается выше дна свободной зоны n области, и через тонкий переход происходят туннельные переходы электронов – в среднем в обе стороны поровну, поэтому результирующий туннельный ток через р-n переход равен .

При подаче прямого напряжения (рис. 8.2) уровень Ферми в n области поднимается, в р области – опускается, при этом в свободной зоне n области уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней валентной зоны р области. Поэтому число электронов, совершающих туннельный переход направо (по рисунку) становится больше, чем туннелирующих в другую сторону, и результирующий туннельный ток возрастает при росте прямого напряжения, вплоть до точки А  (рис. 8.1), когда потолок валентной зоны р-области сравняется с уровнем Ферми n -области.

При дальнейшем росте прямого напряжения (рис. 8.4) туннельный ток будет уменьшаться, и когда потолок валентной зоны р области сравняется с дном свободной зоны n области, туннельный эффект становится невозможным – точка Б на рис. 8.1, туннельный ток соответственно станет равным . Возрастание общего прямого тока через переход при дальнейшем росте прямого напряжения объясняется, как и у обычных диодов, диффузионным током основных носителей.

При подаче обратного напряжения (рис. 8.5) число электронов, способных туннелировать налево, увеличивается, а обратно - остается почти неизменным, поэтому результирующий обратный ток будет возрастать. Т.к. в глубине валентной зоны плотность электронов очень большая, то даже незначительное увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней вызывает резкое возрастание обратного (туннельного) тока, которое может вывести туннельный диод из строя. Допустимое обратное напряжение на туннельном диоде не превышает обычно .

Наличие на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением  позволяет использовать диод как усилительный элемент, в основном – на высокой частоте. Важнейшие параметры диода – , , , .

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 9.

Рис. 9.

Выполнение работы

1. Получить на экране осциллографа и зарисовать прямые и обратные ветви вольтамперных характеристик предложенных диодов. В положениях переключателя  подключен резистор сопротивлением , в положении  – , в положениях  – , в положениях  – . В положениях  снимаются прямые ветви характеристик следующих диодов: 1 – Д 226Д, 2 – Д 7Ж, 3 – КС 139А, 4 – КС 156А. В положении 5 снимается прямая ветвь вольтамперной характеристики туннельного диода. В положениях  снимаются обратные ветви характеристик диодов: 6 – Д 226Д, 7 – Д 7Ж, 8 – КС 139А, 9 – КС 156А.

Масштаб по оси X в положении переключателя  – , в положении  – .

2. По осциллограммам определить параметры диодов: прямое падение напряжения, обратный ток, дифференциальное сопротивление прямой ветви; для стабилитронов, кроме того, ещё напряжение стабилизации и дифференциальное сопротивление обратной ветви. Для туннельного диода определить: напряжение первого максимума, точки первого максимума и минимума, отношение токов максимума и минимума, дифференциальное сопротивление восходящих и падающих ветвей характеристики.


Лабораторная работа № 2
Транзистор

Основные понятия

Транзистор  это полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами. Транзистор представляет собой комбинацию из двух высоколегированных слоев (коллектор и эмиттер), разделенных слоем слаболегированного полупроводника (база). Транзисторы могут быть двух типов  р-n-p и n-p-n (рис. 1 б, в):

Рис. 1.

В принципе транзистор является обратимым прибором, т.е. коллектор может использоваться как эмиттер, а эмиттер- как коллектор. Практически же коллектор имеет площадь большую, чем эмиттер, и поэтому при обращении транзистора у него будут несколько иные характеристики.

При работе транзистора на его переходы подаются внешние напряжения, при этом, в зависимости от полярности и величины напряжений, возможны три режима работы транзистора:

а) Режим насыщения, когда оба перехода открыты (для основных носителей заряда эмиттера и коллектора).

б) Режим отсечки, когда оба перехода закрыты.

в) Активный режим, когда один из переходов открыт, а другой закрыт.

Режимы а) и б) используются при работе транзистора в качестве электронного переключателя, при этом режим а) соответствует состоянию “включено”, а режим б)  состоянию “выключено”. В режиме в) транзисторы используются в схемах усилителей и генераторов.

Возможны три схемы включения транзистора при работе в активном режиме: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

1. Схема с общей базой (ОБ)  Рис. 2:

Рис. 2.

Рассмотрим работу транзистора структуры n-p-n. Величина  имеет небольшое значение, близкое к высоте потенциального барьера, и составляет доли вольта. Величина  на  порядка больше и ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода. При включении источников питания потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается за счет, а потенциальный барьер коллекторного перехода повышается за счет . Электроны эмиттера легко преодолевают понизившийся потенциальный барьер и за счет диффузии инжектируются в базу, а затем диффундируют в направлении к коллекторному переходу за счет перепада плотности электронов по длине базы. Большинство из них доходит до коллекторного перехода, а незначительная часть рекомбинирует с дырками базы. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию базу делают тонкой и слаболегированной (т. е. с малой концентрацией акцепторной примеси). Достигая перехода П2, электроны за счет ускоряющего действия поля перехода втягиваются в коллектор.

Ток основных носителей

                                (1)

Одна из важнейших характеристик транзистора  статический коэффициент передачи тока

                                    (2)

или

                                  (3)

При работе транзистора в качестве усилителя переменного тока вводят понятие дифференциального коэффициента усиления тока:

при                  (4).

Продифференцировав (3) по , получаем

;               (5).

В активном режиме  практически не зависит от , поэтому .

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ (сопротивление перехода П1)  (при) очень мало и составляет единицы-десятки Ом, т.к. даже небольшое изменение  вызывает значительное относительное изменение высоты потенциального барьера перехода, включенного в прямом направлении, что сильно влияет на величину . Выходное сопротивление транзистора в схеме с ОБ (сопротивление перехода П2)  (при ) очень велико и достигает единиц мегаом, т. к. изменение  почти не влияет на  (). В схеме с ОБ усиления по току не происходит.

Рассмотрим работу усилительного каскада с ОБ, где в цепи базы кроме постоянного напряжения  действует источник переменного напряжения с амплитудой  (Рис. 3):

Рис. 3

Изменение напряжения на эмиттерном переходе на величину  вызовет изменение высоты потенциального барьера перехода и соответствующее изменение эмиттерного тока . Cоответственно изменится и коллекторный ток: , изменение коллекторного тока приведет к изменению величины падения напряжения на резисторе нагрузки (и выходного сигнала) на величину .

Если , то мы имеем значительное усиление сигнала по напряжению. Приращение входной мощности , выходной , отсюда, с учетом ;

 схема с ОБ дает усиление по мощности.

Семейство выходных статических характеристик для схемы с ОБ – это зависимости  от  при различных фиксированных ( рис. 4).

Рис. 4

При больших  ток коллектора резко возрастает – начинается лавинное размножение зарядов (тепловой пробой). В области этих мощностей, превышающих допустимую, работать нельзя. Левая пунктирная линия отсекает область нелинейности характеристик.

Из характеристик можно определить : изменение  вызывает соответствующее изменение , и

,                          (6).

2. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Рис. 5

В схеме с общим эмиттером (ОЭ) входным током является ток базы, а выходным – ток коллектора (рис. 5). Статический коэффициент передачи тока в этой схеме

или ,                  (7).

Поделив обе части (1) на , с учетом (2) и (7) получим:

отсюда             ;                .

Для дифференциального коэффициента усиления тока  (при ) из выражения (7) можно, получить (продифференцировав уравнение (7) по  ):

, обычно , и .

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ  (при ) гораздо больше, чем в схеме с ОБ (если считать , то изменение тока базы  будет значительно меньшим, чем изменение тока эмиттера  в схеме с ОБ), и составляет сотни Ом, выходное – сотни кОм. Схема с ОЭ дает значительное усиление по току, усиление по напряжению такое же, как и в схеме с ОБ, поэтому усиление по мощности схемы с ОЭ намного больше, чем схемы с ОБ.

Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ – это зависимости  от  при различных фиксированных  ( рис. 6).

По нему можно определить :

Рис. 6

3. Схема с общим коллектором (ОК)

В схеме с ОК входным током является ток базы, выходным – ток эмиттера  (рис.7). Т.к.  Коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению несколько меньше единицы. Входное сопротивление схемы с ОК достигает сотен кОм, выходное составляет десятки Ом.

Рис. 7.

Сдвиг фаз между входным и выходным напряжением в схемах с ОБ и ОК равен 0, в схеме с ОЭ – , т.е. схема с ОЭ инвертирует сигнал. Преимущество схемы с ОБ – лучшее усиление сигнала высокой частоты и меньшие нелинейные искажения, недостаток – необходимость двуполярного источника питания.

Выполнение работы

1. Установить на источнике питания Б 5-43 напряжение  и ток .

2. Подключить, соблюдая полярность, измерительный прибор к источнику.

3. Вставить в гнезда прибора один из имеющихся транзисторов МП 426, согласно приведенной на рисунке 8 цоколевке транзистора (вид со стороны ножек).

Рис. 8.

4. Переключая тумблер прибора «ток базы – ток коллектора», получить данные о зависимости тока коллектора от тока базы и занести их в соответствующую таблицу. Построить график зависимости тока коллектора от тока базы и определить по нему параметр . При измерениях следует учитывать, что верхний предел шкалы измерителя составляет  – при измерении тока коллектора, и  – при измерении тока базы.

5. Повторить пункты 3 и 4 для двух других транзисторов, при этом график можно представить один, построив на нём соответствующие линии для каждого транзистора.

6. Для остальных транзисторов из имеющихся в наличии провести минимально необходимое количество измерений для определения параметра  каждого из транзисторов. Результаты занести в таблицу.


Лабораторная работа № 3
Изучение вынужденных колебаний и явления рез
онанса в последовательном и параллельном колебательных контурах

Основные понятия

Одной из важнейших задач радиотехнических устройств является осуществление так называемой частотной селекции - то есть возможности пропускать или подавлять сигналы только в определенной полосе частот. Решать подобные задачи позволяет колебательный контур. Рассмотрим два типа колебательных контура.

1. Последовательный колебательный контур

Последовательный колебательный контур – это цепь, состоящая из катушки индуктивности (L), конденсатора (С) и активного сопротивления (R), соединенных последовательно относительно входных зажимов, к которым можно подключать генератор  (рис. 1).

Рис. 1. Последовательный колебательный контур.

Для нахождения тока в цепи составляем уравнение второго закона Кирхгофа для комплексных амплитуд:

где  – мнимая единица,  – входное комплексное сопротивление контура;  – активная составляющая входного сопротивления;  – реактивная составляющая входного сопротивления.

Векторная диаграмма токов и напряжений в последовательном контуре (рис. 2) построена с учетом того, что напряжение на индуктивности опережает ток по фазе на , а напряжение на емкости отстает от тока на .

Рис. 2. Векторная диаграмма тока и напряжений в последовательном колебательном контуре.

Возможны три случая:

1),

2),

3) ,

На рис. 2 представлена векторная диаграмма для первого случая. Здесь  – сдвиг фаз между током в контуре и напряжением на нем:

Особый интерес представляет случай, когда , при этом . Режим цепи, при котором , несмотря на наличие реактивных элементов, называется резонансом. Для последовательного контура говорят о резонансе напряжений, так как . Векторная диаграмма резонанса представлена на рис. 3.

В контуре с заданными  и  резонанс наступает при определенной частоте :

; .

В настроенном в резонанс контуре ,

,

где - характеристическое сопротивление контура.

Рис. 3. Векторная диаграмма тока и напряжений в последовательном контуре при резонансе.

Энергетические соотношения в контуре характеризуются величиной его добротности , которая равна отношению энергии, запасенной в реактивном элементе контура, к энергии, расходуемой за период при резонансе, умноженному на :

Так как , , где  – амплитуда тока,  – среднеквадратическое (действующее) значение тока, а для синусоидального тока  , то

Обратная величина добротности называется декрементом затухания .

Рассмотрим входное сопротивление ненагруженного последовательного контура:

где  – обобщенная растройка контура.

Так как , , то

Обычно исследуют контура вблизи резонансной частоты , то есть при малых расстройках частоты (при малом уходе от резонансной частоты)

.

Тогда .

Зависимость модуля  от расстройки представленна на рис. 4.

Рис. 4.

Ток в контуре определяется выражением

При резонансе ток достигает максимального значения . Кривая, показывающая отношение , называется резонансной кривой контура (рис. 5).

Рис. 5.

Для сравнения работы последовательных контуров вводится понятие полосы пропускания по уровню 0.7, как интервала частот , для которых отношение . Считается, что эти сигналы не подавляются контуром. Рассмотрим, как связаны добротность контура и полоса пропускания :

или , отсюда , где  – полоса пропускания по уровню 0,707.

Вынужденные колебания в контуре создаются генератором с определенным внутренним сопротивлением  (рис. 6). Внутреннее сопротивление генератора ухудшает избирательные свойства контура, т.е. делает резонансную кривую более пологой (рис. 7), т.е. уменьшает добротность контура, т.к. .

Рис. 6.

Рис. 7.

Откуда

Кривые зависимостей напряжений на индуктивности и емкости от частоты выглядят аналогично, по ним так же можно определить добротность контура.

2. Параллельный колебательный контур

Схема параллельного колебательного контура изображена на рис. 8. Пусть на входных зажимах контура действует синусоидальное напряжение. По первому закону Кирхгофа: .

Рис. 8.

По второму закону Кирхгофа для токов в контуре получаем:

,.

Рис. 9.

Векторная диаграмма для параллельного контура приведена на рис. 9. Если , то фазы тока на емкости и на индуктивности: . Кроме того, обычно  и , поэтому  и  близки к . На частоте  – , а поскольку угол между ними почти , ток в контуре становится очень малым и , то есть входное сопротивление контура приближенно можно считать активным (точно это выполняется на частоте реального резонанса ).

Определить входное сопротивление контура можно с использованием закона параллельного соединения сопротивлений:

так как  и , .

Поскольку в реальных контурах ,  и  – порядка нескольких , то на резонансной частоте входное сопротивление параллельного контура может достигать сотен . Зависимости  и  от частоты выглядят так же, как соответствующие для последовательного контура, из этих кривых также можно найти добротность параллельного колебательного контура.

При подключении к параллельному контуру генератора с выходным сопротивлением  (рис. 10) добротность контура падает: , расширяется полоса пропускания. Поэтому, в отличии от последовательного контура, применение параллельного колебательного контура целесообразно с точки зрения избирательности только тогда, когда выходное сопротивление генератора достаточно велико. Рис. 11 показывает влияние выходного сопротивления генератора на форму резонансных кривых параллельного контура.

Рис. 10.

Рис. 11.

Однако, надо иметь в виду, что с ростом  сама величина напряжения на контуре падает. Найдем оптимальное соотношение между  и , при котором в контур передается максимальная мощность от генератора:

,

где  - мощность, передаваемая в контур,  и  – соответственно напряжение и ток контура. Необходимое условие максимума – равенство нулю производной:

 при .

Выполнение работы

1. Собрать на стенде схему последовательного колебательного контура (, , ). Включить питание стенда (сеть) и блок ГВЧ. Ручкой «Амплитуда» установить выходное напряжение ГВЧ порядка  (контроль по вольтметру ВЗ-38, гнёзда «» и «ГН»). Подключить частотомер к гнёздам «ГТ» блока ГВЧ и «» блока ГНЧ. Подключить вольтметр параллельно катушке индуктивности. Подать напряжение ГВЧ на контур. Получить данные о зависимости напряжения на катушке от частоты (во всем диапазоне частот), построить соответствующую резонансную кривую. Определить индуктивность катушки, резонансную частоту, полосу пропускания (по уровню 0,7) и добротность контура.

2. Собрать на стенде схему параллельного колебательного контура (, , , ). Повторить измерения предыдущего задания. Определить индуктивность катушки, резонансную частоту, полосу пропускания и добротность контура. сравнить с результатами предыдущего задания и объяснить возможные расхождения. Построить резонансную кривую.

3. Повторить задание 2 для .


Лабораторная работа № 4
Параметры приемника супергетеродинного типа

1. Основные понятия

Радиоприемным устройством называют систему узлов, с помощью которых осуществляется улавливание радиосигналов, их преобразование и извлечение из них информации. Блок-схему любого приемника можно изобразить в виде ( рис. 1):

Рис. 1.

Приемная антенна 1 воспринимает энергию электромагнитного поля и превращает ее в электрический сигнал. Радиоприемник 2 преобразует электрический сигнал в другой, необходимый для приведения в действие оконечного аппарата 3, с помощью которого из полученного на выходе радиоприемника сигнала извлекается необходимая информация. В качестве оконечных аппаратов применяют телефоны, громкоговорители, электронно-лучевые трубки, записывающие устройства.

Радиоприемники можно классифицировать по различным признакам:

а) по принципу построения блок-схемы приемники подразделяются на приемники прямого усиления и супергетеродинные;

б) по характеру модуляции принимаемых сигналов – приемники предназначаются для приема сигналов, модулированных по амплитуде, частоте или фазе, и сигналов с различными видами импульсной модуляции;

в) по диапазону длин волн принимаемых сигналов;

г) по типу используемых активных приборов - приемники могут выполняться на электронных лампах, транзисторах, микросхемах, встречаются и комбинированные схемы.

2. Основные функции радиоприемников

В приемной антенне электромагнитными полями наводится ЭДС. ЭДС имеет достаточно сложную форму – кроме составляющей от полезного сигнала содержит еще целый ряд составляющих, обусловленных другими сигналами и возможными помехами. Это определяет первую функцию радиоприемника – выделение (селекцию) полезного сигнала из суммы ЭДС, наводимых в антенне. Во всех приемниках осуществляется частотная селекция сигналов за счет частотно-избирательных систем, которые можно настраивать на несущую частоту полезного сигнала.

На вход радиоприемника обычно поступает высокочастотный сигнал, модулированный по тому или иному параметру. Для приведения в действие оконечного аппарата, как правило, необходимо сравнительно низкочастотное напряжение, закон изменения которого должен как можно точнее соответствовать закону модуляции принимаемого сигнала. Отсюда вытекает вторая функция радиоприемника – преобразование высокочастотного модулированного сигнала в низкочастотный, называемая детектированием.

Обычно мощность ЭДС сигнала, наводимого в антенне, бывает очень мала и недостаточна для нормальной работы оконечного аппарата. Поэтому третьей функцией радиоприемника является усиление принятого сигнала. Помимо этих трех основных функций, на радиоприемник могут быть возложены и дополнительные задачи.

3.Приемник прямого усиления

Его блок-схема приведена на рис.2:

Рис. 2.

Для предварительной частотной селекции сигнала на входе первого каскада приемника имеется специальный элемент – входная цепь (ВЦ). Она обычно состоит из одного или нескольких связанных колебательных контуров и выполняется так, чтобы обеспечить нормальную работу приемника с любой из возможных в эксплуатации антенн.

Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначается для усиления принимаемого сигнала до уровня, необходимого для качественной работы детектора (Д). Вторая задача УВЧ – дополнительная частотная селекция сигнала.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) усиливает выходной сигнал детектора до величины, необходимой для нормальной работы оконечного аппарата.

Элементы радиоприемника, расположенные перед детектором, называют высокочастотным трактом или высокочастотной частью приемника. Аналогично, элементы приемника, следующие за детектором, образуют его низкочастотный тракт или низкочастотную часть.

Коэффициент усиления УВЧ нельзя увеличивать выше определенного предела, за которым наступает самовозбуждение усилителя за счет паразитной обратной связи через емкость монтажа. Аналогично и для УНЧ. Это ограничивает общий коэффициент усиления приемника и, соответственно, его чувствительность (минимальная амплитуда воспринимаемого сигнала ЭДС). Существенно лучшие параметры имеет приемник супергетеродинного типа.

4.Приемник супергетеродинного типа

Блок-схема приемника супергетеродинного типа приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Кроме уже встречавшихся аналогичных блоков он содержит: Г - гетеродин; СМ - смеситель; УПЧ - усилитель промежуточной частоты.

Смеситель представляет собой элемент с нелинейной амплитудной характеристикой (зависимостью выходного сигнала от входного). Если на его вход одновременно поступают два сигнала с частотами соответственно  и , то в спектре выходного сигнала будут присутствовать составляющие с частотами , , , а также ряд других составляющих комбинированных частот. Естественно, если , то в качестве разностной будет присутствовать составляющая с частотой . Важно отметить, что если сигнал с одной из частот  или  промодулирован по определенному закону (например, по амплитуде) каким-то низкочастотным сигналом, то полученная на выходе смесителя составляющая с частотой  (или ) сохранит этот же закон модуляции.

Гетеродин представляет собой перестраиваемый ВЧ генератор синусоидального сигнала с частотой . При настройке входных цепей на некоторую частоту сигнала  синхронно с ним перестраивается и гетеродин – таким образом, чтобы разность частот  и  была постоянной во всем диапазоне принимаемых приемником сигналов. Сигнал от гетеродина и усиленный в УВЧ входной сигнал поступают на вход смесителя. Полученная на выходе смесителя составляющая с разностной частотой  (сигнал промежуточной частоты) выделяется с помощью системы связанных контуров и поступает на УПЧ. Тем самым мы получаем дополнительное (по сравнению со схемой приемника прямого усиления) усиление полезного сигнала. Паразитные обратные связи между каскадами УВЧ и УПЧ не приводят к самовозбуждению схемы, т.к. УНЧ и УПЧ работают на разных частотах (УПЧ выполняется в виде резонансного усилителя, настроенного на ).

Однако схема приемника супергетеродинного типа (рис. 3) имеет принципиальный недостаток по сравнению со схемой приемника прямого усиления – наличие дополнительных каналов приема. Если на вход приемника наряду с полезным сигналом попадет сигнал с частотой , то он будет усиливаться в УПЧ, что создает помехи приему. Чтобы избежать этого, во входных цепях приемника ставят заградительные фильтры, которые не пропускают именно сигналы с частотой . Бытовые приемники, как правило, имеют промежуточную частоту .

Другим дополнительным каналом приема является так называемый зеркальный канал.

Зеркальный канал. Пусть приемник настроен на частоту  и частота гетеродина . На выходе смесителя появится составляющая с частотой . Если при этом на вход приемника поступает сигнал с частотой , то на выходе смесителя одновременно с полезной составляющей выделится составляющая также с разностной частотой:

который в дальнейшем усиливается УПЧ и создает помехи приему – в оконечный аппарат поступают одновременно два сигнала. Аналогично, если , то частота зеркального канала ; .

Зеркальным этот канал приема называется потому, что на оси частот частоты  и  расположены симметрично относительно  на расстоянии  от нее. Для того чтобы исключить возможность приема по зеркальному каналу, необходимо не допустить проникновения соответствующих помех на вход смесителя. Эту задачу в супергетеродинном приемнике (супергетеродин) выполняют резонансные системы входной цепи и УВЧ.

Рассмотрим основные характеристики радиоприемников:

1. Чувствительность. Под чувствительностью понимают минимальную величину напряжения входного сигнала, обеспечивающую на выходе определенную мощность выходного сигнала при заданном превышении выходного сигнала над шумами. Для радиовещательных приемников превышение сигнала над шумами должно быть равным 10, а на выходе мощность сигнала устанавливается равной 50 мВт, при сопротивлении нагрузки .

2. Избирательность – это способность приемника выделять полезный сигнал из совокупности колебаний с различными несущими частотами. Поскольку у супергетеродина наряду с основными каналами, существуют и дополнительные каналы приема, для него вводится несколько характеристик:

а) избирательность по соседнему каналу. Согласно принятым международным соглашениям частоты радиостанций в диапазонах ДВ и СВ отличаются на . Поэтому избирательность по соседнему каналу (в децибеллах)

,                              (1)

где  – чувствительность приемника, настроенного на частоту сигнала ,  – напряжение с частотой , которое также обеспечивает на выходе заданную мощность сигнала (настройка приемника при этом не меняется).

б) избирательность по промежуточной частоте

,                              (2)

Поскольку в диапазон принимаемых частот приемника частота  не входит, то здесь  – чувствительность приемника, настроенного на частоту сигнала , наиболее близкую к ;  – напряжение сигнала с частотой , которое обеспечивает при прежней настройке приемника заданную мощность на выходе.

в) избирательность по зеркальному каналу

,                          (3)

где  – чувствительность приемника, настроенного на частоту ,  – напряжение с «зеркальной частотой» (относительно ), которое обеспечивает на нагрузке заданную мощность при настройке на .

3. Диапазоны рабочих частот – это интервалы частот входных сигналов, в которых обеспечивается нормальный прием. Современные приемники бывают как с переменной настройкой в широком диапазоне рабочих частот, так и с фиксированной частотой на какую-либо частоту или ряд частот.

4. Динамический диапазон радиоприемника (в децибеллах)

,                     (4)

где  – чувствительность приемника ( – мощность этого сигнала),  () – максимальная величина (мощность) входного сигнала, прием которого происходит еще с допустимыми искажениями.

5. Качество воспроизведения сигнала – определяется степенью искажений, вносимых элементами приемника.

6. Выходная мощность приемника (максимальная).

7. Потребляемая от источников питания мощность.

Выполнение работы

ВНИМАНИЕ! Слева от переключателя диапазонов приёмника имеется рычаг фиксатора. Переключать диапазоны можно только при верхнем положении переключателя. Установив нужный диапазон, рычаг фиксатора перевести в нижнее положение.

Рис. 4. Схема установки:1 – генератор АМ-сигналов, 2 – эквивалент антенны, 3 – приемник «Казахстан» со встроенной нагрузкой , 4 – вольтметр.

Перед включением в сеть установить органы управления в следующие положения: на приёмнике: регулятор громкости – в среднее положение, переключатель регулятора полосы – в крайнее левое положение (узкая полоса), тумблеры «АНОД» и «АПЧ УКВ» – в положение «ВЫКЛ»; на генераторе: тумблеры – в положение «ГВЧ» и «УРОВЕНЬ К», переключатель частоты модуляции – в положение «», красную стрелку на регуляторе выхода (с помощью ручки «») – на отметку «К».

Включить генератор и приёмник в сеть. После 5 минут самопрогрева с помощью ручки «►0◄» установить стрелку индикатора на нулевую отметку. Включить тумблер «ГВЧ» (перевести его в верхнее положение). Вращая регулятор «Установка уровня К», выставить стрелку индикатора на отметку «К». Перевести тумблер в положение «М%». Регулятором «УСТ. М%» установить глубину модуляции 50 %. Соединить выходное гнездо генератора «» через эквивалент антенны со входом приёмника. Эквивалент антенны необходимо использовать  по следующим причинам:

1. Без эквивалента антенны система связанных контуров входных цепей приемника будет зашунтирована низким выходным сопротивлением генератора.

2. Выходное сопротивление генератора реактивно, поэтому оно будет изменять настройку приемника.

3. Не вся ЭДС, наводимая в антенне, поступает на вход приемника, т.к. антенна имеет распределенные параметры. Это и учитывается при расчете эквивалента антенны.

С выхода приёмника «» (на задней панели) подать сигнал на вход вольтметра В3-38. Включить в гнёзда на передней панели приёмника телефон. Включить тумблер «АНОД» на приёмника.

Определить чувствительность приёмника в трёх точках каждого диапазона (на краях и в середине). При появлении на выходе приёмника сигнала (частотой ) установить регулятор громкости приёмника в положение, соответствующее амплитуде выходного сигнала в 75% от максимальной и в дальнейшем положение регулятора не изменять.

Определить избирательность по соседнему каналу в одной из точек середины диапазона СВ.

Настроить приёмник на частоту, соответствующую крайней левой отметке шкалы частот диапазона СВ и определить чувствительность в этой точке. Настроить генератор на промежуточную частоту и определить избирательность по промежуточной частоте.

Настроить приёмник и генератор на середину диапазона К1 и определить чувствительность приёмника в этой точке. Не изменяя настройки приёмника, настроить генератор на частоту зеркального канала (контроль точности настройки – по максимуму показаний вольтметра). Определить избирательность приёмника по зеркальному каналу.


Лабораторная работа № 5
Изучение характеристик усилителя низкой
ча
стоты на сопротивлениях

1. Основные понятия

В физических экспериментах часто возникает задача усиления слабых электрических сигналов. Для решения этой задачи применяются электронные усилители различных типов. Важнейшими характеристиками усилителя являются коэффициент усиления ,:

1.1. Коэффициент усиления , который определяется как отношение выходного напряжения  к входному напряжению :

,                         (1)

где  – сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями,  – модуль коэффициента усиления,  – мнимая единица. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя. Ее примерный вид приведен на рис.1.

Иногда при изображении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) используется логарифмический масштаб по оси частот.

Рис. 1.

Модуль коэффициента усиления по напряжению может выражаться как в абсолютных значениях – формула (1), так и децибелах:

,               (2)

Используется понятие коэффициента усиления по мощности

,                                 (3)

или в децибеллах:

,                        (4)

где  и  – выходная и входная мощность. Зависимость сдвига фаз между выходным и входным сигналами от частоты называется фазово-частотной характеристикой (или фазовой характеристикой) усилителя. Полоса частот от  до , для которой коэффициент усиления не выходит за пределы назначенного допуска, называется полосой пропускания усилителя. Полоса пропускания определяется по уровню  (– коэффициент усиления на средних частотах), а в некоторых случаях по уровню .

1.2. Искажения сигнала могут возникать по двум причинам:

а) линейные искажения, – если во входном сигнале присутствуют составляющие с различными частотами, то, вследствие неравномерности АЧХ, они могут усиливаться неодинаково, и в выходном сигнале соотношения между амплитудами составляющих будут отличаться от соответствующих соотношений входного сигнала. Это приводит к искажению формы сигнала.

б) нелинейные искажения, – в выходном сигнале могут появляться новые частотные составляющие, которых во входном сигнале не было. Это происходит из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя. Если во входном сигнале была только одна составляющая с частотой , то, вследствие нелинейности характеристики, в выходном сигнале могут быть составляющие с частотой  – постоянная составляющая, , , , ..., . В результате форма сигнала искажается. Нелинейные искажения характеризуются коэффициентом гармоник :

,   (5)

где , , , , , , ,  – эффективные значения тока и напряжения соответствующей гармоники (составляющей с частотой , , , , ...). Оба вида искажений могут присутствовать одновременно.

1.3. Амплитудная характеристика - есть зависимость установившегося значения амплитуду выходного сигнала от амплитуды входного сигнала определенной частоты. Примерная амплитудная характеристика приведена на рис.2.

Рис.2

Вводится понятие динамического диапазона усилителя

,                           (6)

или в дециделах

,                              (7)

– напряжение помех, определяемое шумами усилителя.

Сигнал, выходящий за пределы динамического диапазона усилителя, претерпевает нелинейные искажения.

2. Усилительный каскад на сопротивлениях

В качестве примера рассмотрим принцип действия и назначение отдельных элементов каскада с использованием электронной лампы - триода:

Рис.3

Пусть первоначально сигнал  отсутствует. При включении источника питания  через лампу начинает протекать ток , который, протекая по катодному резистору , создает такое падение потенциала, что потенциал катода относительно общей шины становится положительным. По резистору  протекает ничтожно малый ток сетки, следовательно, падения напряжения на  практически нет и потенциал сетки относительно общей шины почти нулевой. Следовательно, напряжение на сетке относительно катода отрицательно и равно . Изменяя , можно выбрать соответствующую рабочую точку А на середине линейного участка анодно-сеточной характеристики (рис. 4).

Рис. 4.

Здесь  – напряжение на сетке относительно катода.

Если теперь мы подадим на каскад переменный сигнал, то анодный ток получит соответствующую переменную составляющую, и с анода  можно будет снять выходной сигнал

                                  (8)

той же частоты, что и входной, но сдвинутый относительно него по фазе на . Одновременно переменная составляющая анодного тока создает на резисторе  переменное напряжение смещения. При возрастании входного сигнала на величину  происходит изменение анодного тока на величину  и соответствующее изменение выходного напряжения на . Одновременно изменяется и падение напряжения на катодном резисторе , что вызывает некоторое смещение рабочей точки. Фазовые соотношения в каскаде таковы, что в результате суммарное изменение анодного тока оказывается меньшим, чем было бы в отсутствии переменной составляющей падения напряжения . Соответственно уменьшается и изменение , следовательно, и коэффициент усиления каскада.

Для борьбы с этим нежелательным явлением в схему вводят конденсатор  достаточно большой емкости, который шунтирует резистор  по переменному току. С уменьшением частоты сигнала сопротивление конденсатора  а также разделительных конденсаторов  и  возрастает, и коэффициент усиления каскада начинает уменьшаться. В области высоких частот также происходит снижение коэффициента усиления, объясняемое ухудшением работы лампы из-за влияния межэлектродных емкостей и ограниченной скорости пролета электронов.

3. Типы коррекции частотной характеристики

Схема каскада с низкочастотной коррекцией приведена на рис. 5. С уменьшением частоты сопротивление конденсатора  растет, и он перестает шунтировать , что приводит к росту общего сопротивления нагрузки на нижних частотах, т.е. к росту коэффициента усиления.

Пример схемы с высокочастотной коррекцией приведена на рис. 6. Включение  в анодную цепь приводит к возрастанию анодной нагрузки с ростом частоты, что обеспечивает некоторый подъем коэффициента усиления на высоких частотах.

Рис. 5.

Рис. 6.

Выполнение работы

Установить в схему на стенде следующие детали: , , , , , , VI – транзистор ГТ703А. Гнёзда Х1 и Х2 соединить с выходом генератора Г3-36 и входом вольтметра В3-38.

Соединить гнёзда ГН 2 (внизу стенда) с входными гнёздами АВМ 1, соблюдая полярность. Включить питание стенда. С помощью регуляторов «Грубо» и «Точно», расположенных над гнездами, установить выходное напряжение источника . Подать это напряжение, соблюдая полярность, на гнёзда Х8 и –EC.

  1.  Снятие амплитудно-частотной характеристики.

Установить выходное напряжение генератора величиной  и поддерживать его в ходе опыта постоянным. Подключить к выходу усилителя вольтметр В338. Снять зависимость выходного напряжения усилителя от частоты во всем диапазоне частот генератора. Построить график АЧХ и определить нижнюю  и верхнюю  границы полосы пропускания по уровню .

  1.  Снятие амплитудной характеристики

Установить на генераторе частоту . Изменяя напряжение на входе усилителя от  до , получить зависимость выходного напряжения усилителя от входного. Построить амплитудную характеристику и определить по ней коэффициент усиления  и динамический диапазон усилителя . В качестве нижней границы динамического диапазона следует принять уровень собственных шумов усилителя (выходное напряжение при отключенном входе), приведенный ко входу (т.е. разделенный на коэффициент усиления). Подключив к выходу усилителя нагрузочное сопротивление в , определить выходное сопротивление усилителя.


Лабораторная работа № 6
Тиратронный генератор релаксационных
кол
ебаний

1.Основные понятия

Тиратроном называется газоразрядная лампа с накаленным или холодным катодом, в которой кроме анода и катода имеется один или несколько дополнительных управляющих электродов – сеток. Наполняется тиратрон парами ртути или инертными газами (криптоноксеноновые смеси, аргон, ксенон). Среди нейтральных молекул газа всегда имеется некоторое количество свободных электронов. При выполнении условия

,

(1)

где  – масса электрона,  – энергия ионизации молекул газа-наполнителя, в тиратроне лавинообразно размножаются носители зарядов, т.е. происходит газовый разряд – тиратрон «зажигается».

Энергию, необходимую для ионизации молекул, электроны получают в электрическом поле:

,

(2)

где  – напряженность поля в тиратроне,  – длина пробега электрона до столкновения с нейтральной молекулой,  – заряд электрона. Если энергия электрона недостаточна для ионизации, то возможен переход нейтральных атомов в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние излишняя энергия излучается в виде кванта определенной частоты. Другой источник свечения – рекомбинация ионов, которая всегда проходит вместе с ионизацией. При встрече свободного электрона с ионом происходит деионизация (рекомбинация), причем «лишняя» энергия также излучается.

2.Тиратроны с холодным катодом

Сетка располагается гораздо ближе к катоду, чем анод, и поэтому разряд в промежутке катод-сетка начинается при существенно меньшем напряжении, чем в промежутке катод-анод. На этом основано управляющее действие сетки. Анодное напряжение , необходимое для возникновения разряда между катодом и анодом, зависит от тока сетки – чем больше сеточный ток, тем при меньших  тиратрон зажигается. Это объясняется тем, что при большем токе сетки в промежутке сетка-катод возникает больше ионов и электронов и это облегчает возникновение разряда с катода на анод. При отсутствии сеточного тока  максимально. Тиратроны с холодным катодом можно использовать в качестве переключающих элементов (реле). Схема включения тиратрона в качестве реле приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Сопротивление  ограничивает сеточный ток до величины порядка единиц и десятков микроампер,  ограничивает анодный ток, который может быть на  порядка больше сеточного.  берут немного меньшим, чем необходимо для зажигания разряда между сеткой и катодом, а .

Если  больше напряжения зажигания, то между сеткой и катодом возникает разряд, и при достаточно большом токе сетки разряд перейдет на анод - тиратрон «зажжется» (идет разряд в тиратроне, часть области, близкой к аноду, тиратрона начинает светится). Погасить анодный разряд уменьшением сеточного напряжения нельзя, для его прекращения нужно уменьшить  до величины ниже напряжения гашения .

3.Тиратроны с накаленным катодом

Существенно большие рабочие анодные токи имеют тиратроны с накаленным катодом, т.к. в них имеется дополнительный источник свободных зарядов - электронов, которые возникают за счет термоэлектронной эмиссии катода. Анодно - сеточные характеристики такого тиратрона приведены на рис. 2 (напряжения  и  – относительно катода):

Рис. 2.

Рис. 3.

При больших отрицательных напряжениях на сетке количество электронов, приходящих на анод, мало. При этом величина анодного тока меняется с изменением сеточного напряжения. При некотором  возникает ионизация – тиратрон «зажигается». Вследствие того, что сетку окружают положительные ионы, и в толще этой ионной оболочки теряется вся разность потенциалов между сеткой и катодом (рис. 3), сетка теряет свое управляющее действие, и  больше не зависит от  (у тиратронов с холодным катодом сетку экранируют свободные электроны).

Пусковая характеристика тиратрона показывает зависимость напряжения на аноде, необходимого для зажигания, от величины сеточного напряжения:

1-пусковая характеристика тиратрона с редкой сеткой;

2-пусковая характеристика тиратрона с густой сеткой.

Рис. 4.

После того, как тиратрон зажжется, напряжение на его аноде уменьшается от напряжения зажигания  до напряжения горящего тиратрона . Анодное напряжение , при котором разряд прекращается, называется напряжением гашения. После прекращения разряда тиратрон еще некоторое время сохраняет способность проводить ток, пока не закончится рекомбинация.

Определение напряжения зажигания и гашения разряда, среднего времени рекомбинации ионов  и времени релаксации тиратрона (уменьшение анодного тока в  раз ( – показатель экспоненты), при уменьшении анодного напряжения до ) можно осуществить с использованием релаксационного генератора пилообразных колебаний на тиратроне (схема приведена на рис. 5).

Рис. 5.

Осциллограф подключается к схеме через делитель , имеющий высокое входное сопротивление (), при этом можно пренебречь падением части напряжения  на  при отсутствии разряда в тиратроне. При включении напряжения питания конденсатор  начнет заряжаться через резистор . Когда напряжение на конденсаторе станет равным , тиратрон «зажжется», и конденсатор практически мгновенно разрядится через его малое сопротивление до напряжения ; тиратрон погаснет, и конденсатор снова начнет заряжаться. График зависимости напряжения на конденсаторе от времени приведен на рис. 6.

Рис. 6.

Для возникновения и поддержания колебаний необходимо, чтобы

,

,

(3)

где  – ток через сопротивление при горящем тиратроне.

Рассчитаем период колебаний генератора. Второй закона Кирхгофа при погашенном тиратроне:

,

(4)

По определению силы тока и емкости:

,

(5)

тогда , откуда ; и получаем:

, т.к. ; откуда интегрируя получаем период колебаний (при пренебрежении временем деионизации и предразрядными токами – см. ниже):

,      (6)

У реальных генераторов  всегда больше вычисленного по формуле (6), из-за влияния конечности времени рекомбинации и предразрядных токов. Когда  становится близким к , через тиратрон начинает протекать небольшой предразрядный ток, поэтому заряд конденсатора замедляется.

Выполнение работы

ВНИМАНИЕ! Все изменения в схеме производить только при отключенном источнике питания.

1. Снятие пусковой характеристики тиратрона.

Соединить тиратронный генератор с осциллографом и источником питания УИП-2 согласно схеме. Включить конденсатор . Установить напряжение на сетке порядка . Постепенно повышая напряжение анода, зафиксировать момент возникновения колебаний. Это и будет величиной напряжения зажигания при данном сеточном напряжении. Измерения повторить для ряда других напряжений на сетке, вплоть до  (напряжения на сетке отрицательные). По полученным данным построить пусковую характеристику тиратрона.

2. Определение периода колебаний.

Чтобы рассчитать период колебаний, используем формулу

,

(7)

где  – минимальное напряжение на конденсаторе. Измерив с помощью осциллографа амплитуду колебаний , найдем

,

(8)

Установить отрицательное напряжение на сетке порядка . Уточнить напряжение зажигания для выбранного сеточного напряжения. Установить напряжение питания анода на  больше, чем напряжение зажигания. По формуле (7) вычислить период колебаний и сравнить его с измеренным с помощью осциллографа.

3. Определение времени деионизации.

Переключатель перевести в положение 2 (). При такой емкости период колебаний станет одного порядка с , и  можно будет измерить). Получить устойчивое изображение полебаний. Зарисовать осциллограмму и определить по ней время деионизации:


Лабораторная работа № 7
Мультивибратор

1. Основные понятия

Для получения импульсов прямоугольной и другой формы применяются устройства, которые называются релаксационными генераторами. Всякий генератор строится на основе активного элемента – лампа, транзистор, туннельный диод, элемент микросхемы – и цепей положительной обратной связи. Релаксационные генераторы, у которых петля положительной обратной связи создается при помощи резисторных усилительных каскадов, называются мультивибраторами. Мультивибратор может работать в ждущем режиме или в режиме автоколебаний.

В ждущем режиме мультивибратор работает как пусковое устройство с одним устойчивым состоянием. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего мультивибратора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, в схеме мультивибратора происходят такие изменения, которые приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность прямоугольного выходного импульса ждущего мультивибратора, зависит от параметров его схемы. Таким образом, ждущий мультивибратор применяется для формирования одного прямоугольного импульса заданной длительности при воздействии на него внешнего запускающего импульса.

В автоколебательном режиме мультивибратор без каких-либо внешних воздействий скачком переходит из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом релаксатор генерирует прямоугольные импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяется параметрами схемы.

2. Транзисторный симметричный мультивибратор

Принципиальная схема мультивибратора на p-n-p транзисторах приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема мультивибратора

на p-n-p транзисторах.

Толчком к развитию лавинообразных процессов в мультивибраторе, приводящих к переходу из одного состояния квазиравновесия в другое, являются флуктуации токов, протекающих в элементах схемы после включения питания. В схеме (рис.1) после подачи напряжения питания  в транзисторах потекут токи, а также начнут заряжаться конденсаторы  и  по цепям «общий провод – эмиттерные переходы транзисторов – конденсаторы – коллекторные резисторы – отрицательный полюс источника питания». Вследствие флуктуаций коллекторные токи транзисторов не будут совершенно неизменными. Допустим, что ток первого транзистора получил приращение . Увеличение коллекторного тока вызывает увеличение напряжения на коллекторе первого транзистора . Положительный скачок напряжения на коллекторе первого транзистора через конденсатор  будет приложен к переходу «база – эмиттер» второго транзистора, что вызовет уменьшение его коллекторного тока и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения второго транзистора, в свою очередь, вызовет уменьшение напряжения на базе первого транзистора и новое приращение его коллекторного тока. В результате через очень малый промежуток времени первый транзистор полностью откроется, а второй закроется. В этот момент ( на рис. 2) происходит формирование фронтов выходных импульсов. После этого конденсатор  продолжит заряжаться через открытый первый транзистор и резистор  до напряжения, близкого к напряжению питания. Конденсатор , ранее заряженный с полярностью, указанной на рис. 1, через малое сопротивление открытого первого транзистора оказывается подключенным к переходу «база – эмиттер» второго транзистора и удерживает его в запертом состоянии.

Однако такое состояние не является устойчивым. Конденсатор  начинает перезаряжаться через открытый первый транзистор и базовый резистор . По мере переразрядки конденсатора, напряжение на базе второго транзистора уменьшается. Когда оно становится близким к нулю, второй транзистор открывается, и его коллекторное напряжение увеличивается. Положительный перепад напряжения на коллекторе второго транзистора запирает первый транзистор (момент времени ). Это состояние тоже неустойчиво. Как только второй транзистор откроется, а первый закроется, конденсатор  начнет перезаряжаться через резистор  и открытый второй транзистор. Когда напряжение на нем станет близким к нулю, откроется первый транзистор, и цикл колебаний в схеме мультивибратора повторится (момент времени ). Графики напряжений на базах и коллекторах транзисторов мультивибратора приведены на рис. 2.

Рис. 2. Графики напряжений в транзисторном

мультивибраторе.

В процессе работы мультивибратора напряжения на конденсаторах меняется от  до .

В общем случае напряжение на конденсаторе емкостью  во время зарядки от источника с напряжением  через резистор  изменяется по закону

,                          (1)

Если конденсатор, заряженный до напряжения , разряжается через резистор , то напряжение на нем

.                          (2)

Если заряженный до напряжения  конденсатор через резистор  подключается к источнику , имеющему противоположную полярность, происходит процесс перезарядки (напряжение на конденсаторе сначала уменьшается до , а затем стремится к ), который описывается уравнением

,                 (3)

В нашем случае

,            (4)

или

,                    (5)

(Время  отсчитывается от момента .) В момент  напряжение на  становится равным 0:

,                   (6)

или

,                             (7)

,            (8)

Если схема мультивибратора симметрична, т.е.  и , то и период колебаний

,                         (9)

тогда

,                     (10)

В настоящее время мультивибраторы строятся на основе интегральных микросхем. При этом могут использоваться готовые релаксаторы, входящие в состав некоторых серий микросхем, например КР119ГГ1, а чаще мультивибраторы строятся на базе логических элементов. Схема мультивибратора на двух элементах «НЕ» приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема мультивибратора на логических

элементах «НЕ».

Логические элементы ДД1.1 и ДД1.2 могут находиться в состояниях логического нуля или логической единицы. Пусть элемент ДД1.1 имеет на выходе логическую единицу, т.е. высокий потенциал. Тогда конденсатор  начнет заряжаться через резистор . По мере заряда конденсатора  напряжение на резисторе , т.е. на входе элемента ДД1.2, будет уменьшаться. Когда это напряжение достигнет порогового значения, состояние элемента ДД1.2 скачком изменится, т.е. на его выходе появится логическая единица. При этом на выходе ДД1.1 установится логический нуль. Затем эти циклы будут повторяться. На выходах элементов появится последовательность прямоугольных импульсов. Частота следования импульсов определяется величиной емкости конденсаторов и сопротивления резисторов. Мультивибраторы можно строить также на операционных усилителях, интегральных таймерах и других типах микросхем.

Выполнение работы

1. Установить в схему на стенде следующие детали: V1 и V2 – транзисторы МП 40А, , , , в гнездо Х6 и Х7 – перемычку. Рассчитать период колебаний для заданных номиналов деталей.

2. Установить на панели вольтметра стенда АВМ 1 тумблер в положение «АВМ 1» и подать, соблюдая полярность, напряжение питания с гнёзд «ГН 2» на гнёзда многопредельного вольтметра АВМ 1. Включить стенд в сеть. Установить ручками регулировки напряжения на гнёздах величиной . Подать это напряжение, соблюдая полярность, на гнёзда «-Ес» и Х8. Зарисовать осциллограммы колебаний на коллекторе и базе одного из транзисторов, определить по ним период колебаний и сравнить его с расчетным.

3. Установить в схему симметричного мультивибратора поочередно другие пять комбинаций времязадающих деталей из имеющихся в наличии. Для каждой комбинации определить период колебаний и сравнить его с расчётным.


Лабораторная работа № 8
Детектирование

1. Основные понятия

Детектирование является процессом, обратным модуляции. Под модуляцией понимается изменение какого либо параметра высокочастотного сигнала (сигнала несущей частоты) по закону изменения низкочастотного сигнала, который мы называем модулирующим. Модуляция может быть амплитудной, то есть амплитуда несущей частоты изменяется по закону модулирующего сигнала, частотной – частота несущей изменяется соответствующим образом, могут быть и другие виды модуляции.

2. Амплитудная модуляция

Амплитудно-модулированное (АМ) колебание в аналитической форме запишется следующим образом (1):

(1)

Амплитуда несущей частоты изменяется по косинусоидальному закону с частотой ,  – глубина модуляции,  – несущая частота. Обычно . Графически АМ сигнал можно изобразить следующим образом, рис.1:

Рис. 1

Глубину модуляции можно найти из соотношения (2):

(2)

Определим спектр АМ колебаний (т.е. представим АМ сигнал в виде суммы гармонических составляющих):

(3)

При преобразованиях в (3) использовалось тригонометрическое соотношение

,       (4)

Таким образом, спектр АМ сигнала имеет три составляющих - рис.2:

Рис. 2

3.Детектирование АМ колебаний

Продетектировать АМ сигнал означает, что необходимо получить составляющую, соответствующую модулирующему сигналу:

,                               (5)

В спектре АМ сигнала составляющая с частотой  отсутствует, поэтому физические процессы при детектировании заключаются в следующем: при помощи элемента с нелинейной вольтамперной характеристикой (например, диода) можно преобразовать спектр АМ сигнала таким образом, чтобы в нем появилась составляющая с частотой , а затем выделить эту составляющую. Покажем, что при помощи схемы, показанной на рис. 3, можно выделить составляющую с частотой .

Рис. 3.

Силу тока через диод в зависимости от входного напряжения в схеме (рис. 3) можно представить в виде полинома второй степени:

,                        (6)

Тогда пропорциональное току в цепи падение напряжения на нагрузке (выходной сигнал ) будет квадратично зависеть от входного:

,                       (7)

Здесь , , , , ,  – постоянные коэффициенты. Подставляем в (7)  в виде (3):

(8)

Выражение при K2 преобразуем с использованием соотношения (4) и формулы

(9):

(10)

Окончательно для  получаем:

(11)

Примерный спектр выходного сигнала изображен на рис. 4.

Рис. 4.

Он содержит: постоянную составляющую, низкочастотные составляющие с частотами  и , а также 8 высокочастотных составляющих. Выделение из этого спектра полезного сигнала (с частотой ) происходит на нагрузке . Для этого ее сопротивление должно определенным образом зависеть от частоты. Если модулирующий сигнал содержит только одну частоту , то  можно выполнить в виде системы с узкой полосой пропускания по частоте, например, в виде параллельного колебательного контура, настроенного на частоту . Сопротивление такого контура на резонансной частоте максимально, поэтому на нагрузке выделится только сигнал с частотой . Для остальных составляющих контур представляет малое сопротивление, поэтому колебания других частот на нагрузке почти отсутствуют. Если же модулирующий сигнал содержит 2 частоты:  и , причем , то возникает следующая ситуация:

Рис. 5.

В спектре сигнала после детектирования будут присутствовать, наряду с другими, составляющие с частотами , , , . Чтобы выделить полезный сигнал (частоты  и ), полоса пропускания нагрузки должна быть достаточно широкой (например, от А до В). При этом на нагрузке неизбежно выделится и мешающий сигнал с частотой , т.е. появятся искажения полезного сигнала. Аналогичная картина будет и при более сложном спектре модулирующего сигнала (речь, музыка и т.д.).

В качестве широкополосной нагрузки можно использовать параллельную RC цепочку (рис. 6). В этой цепочке конденсатор Сн будет отфильтровывать высокочастотные составляющие, т.к. его сопротивление с ростом частоты падает.

Рис. 6.

В случае использования широкополосной нагрузки бороться с паразитным сигналом частотой  можно путем уменьшения глубины модуляции  (см. формулу (11) – с уменьшением  коэффициент при  уменьшается быстрее, чем при ); или подбирая такие режимы работы нелинейного элемента, при которых сигнал с частотой  в выходном спектре отсутствовал бы.

Выполнение работы

1. Перед включением тумблера «Сеть» генератора Г4-42 установить остальные его тумблера в положения «ГВЧ» и «Уровень К». Переключатель частоты модуляции перевести в положение «». Установить частоту несущей порядка . Включить тумблер «Сеть». После пятиминутного самопрогрева генератора с помощью ручки «►0◄» установить стрелку измерителя на 0. Перевести тумблер «ГВЧ» в положение «ВКЛ». С помощью ручки «Установка уровня К» установить стрелку измерителя на отметку шкалы «К». Перевести тумблер в положение «М%» и установить глубину модуляции 30%.

2. Соединить амплитудный детектор с осциллографом и гнездом «0,1-1V» генератора. Получить на экране осциллографа и зарисовать осциллограммы входного сигнала детектора, выходных сигналов при отключенном и включенном конденсаторе фильтра.

3. Установить глубину модуляции 90% и зарисовать 3 аналогичные осциллограммы.

4. Сделать вывод о соответствии результатов экспериментов теории.


Лабораторная работа № 9
Изучение электронных стабилизаторов
напряж
ения

Основные понятия

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, поддерживающие постоянство напряжения (тока) на входе потребителя электроэнергии при изменении напряжения питания или сопротивления потребителя. Общим показателем всех стабилизаторов является коэффициент стабилизации. Для стабилизаторов напряжения:

,

(1)

где  и  – напряжения на входе и выходе стабилизатора,  и  – изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора. Аналогично, для стабилизаторов тока

,

(2)

Существуют несколько методов стабилизации: параметрический, компенсационный и смешанный.

1. В стабилизаторах, использующих параметрический метод, изменения входного напряжения или тока вызывают такие изменения параметров стабилизирующего элемента, что выходное напряжение (или ток) стабилизатора остается неизменным. К параметрическим методам относятся те, в которых используются стабилитроны (стабиловольты), бареттеры, феррорезонансные цепи и другие нелинейные элементы.

2. Компенсационные методы стабилизации основаны на том, что величина выходного напряжения (тока) сравнивается с эталонным напряжением (током), и разностное напряжение (ток) так воздействует через обратную связь на исполнительный элемент, что при этом компенсируются происшедшие изменения выходного напряжения (тока).

3. В смешанных методах стабилизации одновременно используются параметрический и компенсационный методы.

2. Параметрические методы стабилизации

2.1. Стабилизация напряжения с помощью полупроводникового стабилитрона.

Стабилитрон – это диод специальной конструкции, в котором при определенном обратном напряжении происходит обратимый электрический пробой. Его вольт-амперная характеристика изображена на рис. 1, схема подключения на рис. 2.

Рис. 1.

Рис. 2.

Сопротивление  и сопротивление стабилитрона образуют делитель напряжения, причем на участке пробоя сопротивление стабилитрона с ростом величины тока уменьшается. Исходя из номинального значения  () сопротивление  выбирают таким, чтобы ток через стабилитрон имел значение . Если произойдет изменение входного напряжения, то

,

(3)

При этом  очень мало, и практически все  приходится на балластный резистор . Тем самым напряжение на нагрузке  стабилизируется, если  не превышает таких значений, при которых  не выходит за пределы интервала . При меньших значениях тока стабилизация прекращается (напряжение на нагрузке падает), при больших значениях происходит необратимый тепловой пробой перехода и стабилитрон выходит из строя. Аналогично устроены и стабилизаторы с использованием газоразрядной лампы-стабиловольта.

1.2. Стабилизация тока с помощью бареттера.

Бареттер состоит из железной или вольфрамовой проволоки, помещенной в стеклянный баллон, наполненный водородом. При протекании тока через бареттер его сопротивление возрастает вследствие нагрева проволоки. Водород используют из-за его высокой теплоемкости, обеспечивающей хорошее охлаждение проволоки. Вольтамперная характеристика бареттера приведена на рис. 3, схема включения – на рис. 4:

Рис. 3.

Рис. 4.

1.3. Стабилизация с помощью термисторов.

Термисторы (термосопротивления) делают на основе полупроводников. Они отличаются сильной зависимостью сопротивления от температуры, оно меняется по закону

(4)

где  – абсолютная температура термосопротивления,  – температурный коэффициент. Обычно . Одна из схем стабилизатора напряжения на основе термистора приведена на рис. 5:

Рис. 5.

При увеличении входного напряжения возрастает ток через термистор , он нагревается, уменьшается его сопротивление и сопротивление участка . Элементы схемы подбираются так, что при этом падение напряжения на нагрузке  почти не изменяется. Избыток входного напряжения падает на балластном резисторе .

1.4. Электромагнитные стабилизаторы напряжения.

Для стабилизации переменных напряжений часто используют схемы с насыщенными дросселями. Одна из них представлена на рис. 6. Вольтамперная характеристика насыщенного дросселя приведена на рис. 7:

Рис. 6.

Рис. 7.

Принцип работы схемы – такой же, как и у схемы на стабилитроне. Дроссель Др2 – насыщенный, балластный дроссель Др1 – ненасыщенный, он имеет линейную вольтамперную характеристику. Др1 можно заменить на существующий балластный резистор, но при этом возрастут активные (омические) потери.

1.5. Стабилизаторы на электронных лампах.

Используются обычно в цепях постоянного тока, бывают с параллельным и последовательным включением лампы и нагрузки. Схема стабилизатора с параллельным включением приведена на рис. 8:

Рис. 8.

Пусть напряжение на входе изменилось на величину . Тогда ток в сопротивлениях  и  изменится, и тогда изменение потенциала сетки лампы будет равным . Вследствие изменения потенциала управляющей сетки произойдет изменение анодного тока лампы на величину

где  – крутизна анодно-сеточной характеристики лампы. Так как анодный ток протекает по сопротивлению , то на нем изменяется падение напряжения на величину

Если подобрать элементы стабилизатора таким образом, чтобы выполнялось равенство , то тогда . Т.к. , то  – напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения не изменилось.

2. Смешанные стабилизаторы напряжения.

Рассмотрим работу двух транзисторных схем, изображенных на рис. 7 а, б:

Рис. 7.

В схеме а) напряжение база-эмиттер транзистора V1 стабилизировано стабилитроном V2. Следовательно, постоянными являются базовый, коллекторный и эмиттерный токи транзистора V1. Тогда, несмотря на изменение входного напряжения, которое является коллекторным напряжением V1, ток эмиттера остается постоянным, а значит, постоянным остается и выходное напряжение, приложенное к нагрузке.

В схеме б) часть выходного напряжения снимается с резистора  и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона V3. Разностное напряжение приложено к базе управляющего транзистора V2, и всякое его изменение приводит к изменению базового тока, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора V2, который является в свою очередь базовым током регулирующего транзистора V1. В результате внутреннее сопротивление транзистора V1 изменяется так, что компенсируется изменение выходного напряжения.

Рассмотрим конкретный пример, когда входное напряжение возрастает. Выходное напряжение первоначально также возрастает. Возрастает напряжение на резисторе . Возрастает базовое напряжение  и ток через транзистор V2. Рост коллекторного тока транзистора V2 приводит к уменьшению его коллекторного напряжения, так как , и к уменьшению базового напряжения V1. Следовательно, ток базы регулирующего транзистора V1 тоже уменьшается, уменьшаются его коллекторный и эмиттерный токи, т.е., транзистор V1 подзапирается – его сопротивление возрастает. Тем самым рост входного напряжения компенсируется (на такую же величину возрастает падение напряжения на транзисторе V1), и выходное напряжение остается постоянным.

Выполнение работы

Задание 1. Изучение работы двухполупериодного выпрямителя

1. Установить на стенд сменную плату № 10. В гнёзда V1, V2, V3, V4 установить диоды КД 103. Гнездо «IN» соединить с гнездом «», а гнездо «2» с гнездом «ОБЩ» источника «ИП» (в левом нижнем углу стенда). Включить тумблер «сеть» стенда и осциллограф. Получить и зарисовать осциллограммы сигналов на выходе и входе двухполупериодного выпрямителя.

2. Дополнительно установить: в гнёзда R1 – перемычку, в гнёзда V5 – резистор . С помощью осциллографа измерить размах переменной составляющей сигнала на резисторе для трёх случаев:

а) в гнёздах С1 и С2 ничего нет;

б) в них установлен один из конденсаторов ёмкостью ;

в) в них установлены два конденсатора по .

3. Повторить измерения пункта 2 в) с другими резисторами в гнёздах V5 – соответственно величиной  и .

На основании измерений пунктов 2 и 3 сделать вывод о зависимости эффективности подавления переменной составляющей напряжения питания от ёмкости конденсаторов фильтра и величины нагрузки.

Задание 2. Изучение параметрического стабилизатора на стабилитроне.

1. Выключить стенд и осциллограф. Вынуть все детали из гнёзд.

2. Установить следующие детали: в гнёзда R1 – сопротивление , в гнёзда С2 – сопротивление нагрузки , в гнёзда V5 – стабилитрон КС 139А. Гнездо Х3 соединить с гнездом «+», а гнездо Х4 – с гнездом «–» источника «ГН 2 » (расположен в нежней части стенда). Гнёзда С1 соединить, соблюдая полярность, с измерителем АВМ 1 (в правом верхнем углу стенда), установив его переключатель пределов измерений в положение «». Напряжение на нагрузке измеряется вольтметром М 1108, на котором установлен предел измерений «».

Выключить стенд и получить зависимость выходного напряжения от входного. Построить соответствующий график и определить по нему коэффициент стабилизации.

3. Повторить вышеуказанный эксперимент для сопротивления нагрузки  и .

Задание 3. Изучение стабилизатора смешанного типа.

1. Установить на стенде сменную плату № 11.

2. Установить на плате следующие детали: в гнёзда R1 – резистор , R2 – , R3 – , R4 – потенциометр , R5 – , R6 – , V5 и V6 – транзисторы МП 40А, V7 – стабилитрон КС 139 А. Гнёзда Х3 соединить с гнездом «–», а Х4 – с гнездом «+» источника «ГН 2 ». Соединить между собой гнёзда Х9 и Х10. Подключить к нагрузке, соблюдая полярность вольтметр М 1108.

2. Включить питание стенда. Подобрать положение ручки потенциометра R4, при котором наблюдается стабилизация выходного напряжения стабилизатора. Изменяя напряжение источника «ГН 2 » (контроль величины – по измерителю АВМ 1), получить зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного. Построить соответствующий график и определить по нему коэффициент стабилизации.

3. Провести аналогичные эксперименты для сопротивления нагрузки  и.


Лабораторная работа № 10
Генераторы гармонических колебаний

1. Незатухающие колебания в транзисторном генераторе

Рассмотрим работу резонансного усилителя, у которого колебательный контур в цепи коллектора индуктивно связан с катушкой связи (рис. 1).

Рис. 1.

На вход усилителя от внешнего генератора подадим гармоническое напряжение комплексной амплитуды  и частоты, равной резонансной частоте коллекторного контура. Вследствие действия входного напряжения, ток коллектора будет содержать переменную составляющую, которая вызовет в контуре колебания токов  и . Ток  наведет в катушке связи  ЭДС . Предположим, что . Тогда входные клеммы «1 – 1» можно отключить от внешнего генератора, а соединить их с клеммами «2 – 2» катушки связи. Получился генератор с самовозбуждением, колебания в котором происходят сами, без подачи  внешних гармонических напряжений, за счет внутренних процессов. Таким образом, если колебания в генераторе возникли и установились, то они могут продолжаться неограниченно долго. Т.к. , , то равенство комплексных амплитуд напряжений, при котором возможно существование незатухающих колебаний в генераторе, может быть переписано следующим образом (два комплексных числа равны, если соответственно равны между собой их действительные и мнимые части):

                                  (1)

здесь  и  – амплитуды колебаний на базе транзистора и катушке связи, а  и  - фазы этих колебаний. Первое уравнение системы (1) носит название баланса амплитуд, а второе  баланса фаз. Рассмотрим соотношения между параметрами схемы, необходимые для выполнения условий (1).

2. Линейная теория самовозбуждения

Особый интерес в генераторе представляют переменные составляющие напряжений и токов. Для них схема генератора на транзисторе приведена на рис. (2):

По первому закону Кирхгофа  (2), по второму закону Кирхгофа для колебательного контура

,                          (3)

Рис.2.

Кроме того,  (4), а напряжение, наведенное в катушке связи и приложенное к переходу «эмиттер – база» транзистора, определяется по формуле:

,                                  (5),

где  – коэффициент взаимоиндуктивности катушек. Ток коллектора транзистора зависит от напряжений на его базе и коллекторе: . Пренебрегая влиянием коллекторного напряжения и считая зависимость коллекторного тока от напряжения на базе линейной, можно записать:

,                                   (6)

где S= – крутизна транзистора.

Тогда уравнение (2) может быть переписано следующим образом:

,                           (7)

Подставляя в уравнение (7) значение базового напряжения из (5) и  из (3), можно получить дифференциальное уравнение второго порядка относительно тока  в катушке индуктивности:

,                    (8).

После подстановок

,                           (9)

и

,                             (10)

уравнение (8)  приводится к виду

,                     (11)

Решением полученного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами будет выражение для тока в виде

,                     (12

где

,                        (13)

и  – постоянные, определяемые из начальных условий. Коэффициент  определяется из (9):

,                        (14).

При  колебания в генераторе затухают. В частности, это имеет место при отсутствии обратной связи, т.е. при . При  колебания будут иметь незатухающий характер. Это возможно только при отрицательном коэффициенте взаимоиндуктивности . Частота незатухающих колебаний равняется резонансной частоте колебательного контура, а амплитуда колебаний  определяется начальными условиями. Первоначальный импульс значительной величины приводит к большой амплитуде колебаний, а слабый первоначальный толчок вызывает колебания малой амплитуды. Режим  является неустойчивым, т.к. при изменении параметров , , ,  равенство нулю (14) не будет выполняться, и колебания будут затухать () или возрастать ().

При , то есть при

,                             (5)

колебания в генераторе неограниченно возрастают. Это возрастание может иметь место начиная с очень малых амплитуд, что и будет являться самовозбуждением генератора. Малые амплитуды колебаний могут явиться следствием флуктуаций тока транзистора. Первое уравнение условий самовозбуждения (15) отражает баланс фаз, а второе  баланс амплитуд. Часто связь двух катушек характеризуется степенью связи контуров – «», которая определяется отношением величины взаимоиндуктивности к величине индуктивности одной из катушек  (16), тогда условие баланса амплитуд (15) можно записать в виде  (17), где  – характеристическое сопротивление коллекторного контура.

Согласно линейной теории самовозбуждения, при определенной степени связи контурной катушки с катушкой связи в генераторе возникают колебания, амплитуда которых неограниченно возрастает. Это не подтверждается опытом. Существует какое-то установившееся значение амплитуды колебаний, причем ее величина не зависит от начальных условий. Это несоответствие линейной теории опыту объясняется тем, что характеристика транзистора принципиально нелинейна (условие (6) не выполняется), хотя на ней и имеются малые нелинейные участки. Поэтому линейная теория самовозбуждения согласуется с практикой, пока колебания тока в схеме не вышли за пределы линейного участка характеристики транзистора. Дальнейшее возрастание амплитуды колебаний будет ограничиваться вследствие нелинейности характеристики активного элемента (транзистора).

3. Генераторы гармонических колебаний типа RC

Схема автогенератора представляет собой резонансный усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи (рис. 3).

Рис. 3.

Для возникновения и существования колебаний тока необходимо, чтобывыполнялись следующие условия:

,    (18)

где  и  - коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи,  – набег фазы сигнала при прохождении его по замкнутой цепи «усилитель  обратная связь»,  – целое число. Усилитель может быть не обязательно избирательным, а, например, реостатным. В этом случае цепочка обратной связи должна обладать частотно-селективными свойствами, например, выполнять условие баланса фаз только для одной частоты. Такая цепочка может быть выполнена из резисторов и конденсаторов по схемам , приведенным на рис. 4 а, б. Схема генератора на основе одной из таких цепочек представлена на рис. 4, в.

Рис. 4.

При усилении колебаний, возникших на базе вслед-ствии флуктуаций, происходит изменение их фазы на . Усиленный сигнал через цепочку обратной связи снова поступает на базу, причем особенностью цепочек (рис. 4) является то, что фаза сигнала определенной частоты изменяется еще на . Следовательно, на базе возникают колебания, фаза одного из которых сдвинута на  относительно исходного. Амплитуда колебаний для этой частоты нарастает до определенной величины, которая определяется нелинейной характеристикой транзистора. Для этого, конечно, необходимо, чтобы ослабление сигнала при прохождении через цепочку было скомпенсировано усилением транзисторного каскада. Для всех прочих частот изменение фазы при прохождении через цепочку обратной связи будет иным, и баланс фаз не выполняется. В генераторе происходят колебания, близкие к синусоидальным. Частота колебаний определяется величиной сопротивлений резисторов и емкости конденсаторов фазосдвигающей цепи. Так, для цепочки из трех одинаковых резисторов сопротивлением  и трех одинаковых конденсаторов емкостью  частота определяется выражением

,                           (19)

для четырех:

,                          (20).

4. Определение частоты колебаний  с помощью фигур Лиссажу

Если на горизонтально-отклоняющие пластины осциллографа подать гармоническое напряжение частотой , а на вертикально-отклоняющие – с частотой , то, при выполнении условия , где  и  – целые числа, электронный луч проходит на экране по замкнутой стационарной траектории – на экране наблюдается устойчивая неподвижная фигура, вид которой зависит от отношения  и фазовых соотношений колебаний (разности начальных фаз). В частности, если , то проекция траектории луча на ось :

,                          (21)

на ось :

,                     (22).

Из (21) получаем:

,                       (23).

Используя формулы тригонометрии:

,                (24)

выражение (22) перепишем в виде:

 

– уравнение эллипса.

При : , , и  – прямая, проходящая через начало координат. При : , , и , или  – уравнение эллипса, полуоси которого совпадают с осями координат.

Фигуры Лиссажу изображены: на рис. 5 (а, б) при отношении частот 2:1, и на рис. 6 при отношении частот 2:3.

Для измерения частоты методом фигур Лиссажу колебания неизвестной частоты подаются на одну из пар пластин, например, на горизонтально-отклоняющие. На другую пару пластин подают колебания известной частоты от перестраиваемого эталонного генератора – изменяя его частоту, добиваются получения на экране одной из фигур Лиссажу, и по виду этой фигуры определяют отношение неизвестной частоты и частоты эталонного генератора, отсюда вычисляют неизвестную частоту.

а)                           б)

      Рис.5.                               Рис. 6.

Выполнение работы

1. Установить в схему генератора на стенде следующие детали: , , , , , , , V1 – транзистор МП 40А. В гнёзда L1 и L2 установить трансформатор Z1 – выводы на корпусе в гнёзда L2, выводы на гибких проводниках – в гнёзда L1.

2. Включить сетевой тумблер стенда. Установить на панели вольтметра стенда АВМ 1 тумблер в положение «АВМ 1». Подать, соблюдая полярность, напряжение питания с гнёзд «ГН 2 » на гнёзда вольтметра АВМ 1 (верхняя пара гнёзд). Установить ручками регулировки напряжение величиной . Подать это напряжение на собранную схему, соблюдая полярность, на гнезда «-Ес» и «Хб».

3. Установить переключатель чуствительности осциллографа в положение , переключатель ослабления на генераторе ГЗ-33 – в положение . Подать сигнал с выхода генератора на стенде на вход «Y» осциллографа (гнездо на левой стороне корпуса осциллографа). Вход генератора ГЗ-33 подключить ко входу «X» осциллографа (гнёзда на правой боковой поверхности осциллографа, тумблер рядом с гнёздами – в нижнем положении).

4. Включить в сеть осциллограф и генератор ГЗ-33. изменяя его частоту, получить на экране изображение фигуры Лиссажу, соответствующей соотношению частот . Изменяя частоту, получить изображения двух других фигур и зарисовать их. По полученным трём фигурам определить частоту генератора, собранного на стенде. Погрешность установки частоты на генераторе ГЗ-33 – не более 2% от установленного значения.

5. Установить на стенд конденсатор  и повторить предыдущий пункт.

Примечание: если, при подаче на собранную на стенде схему генератора напряжения питания, колебаний не возникает, следует поменять знак коэффициента взаимоиндуктивности катушек, для чего поменять метами штекеры в гнёздах L1.


Лабораторная работа № 11
Электронные лампы

1. Основные понятия

электровакуумные приборы (электронные лампы) при очень больших напряжениях и мощностях. Лампа представляет собой стеклянный, металлический или керамический баллон, откачанный до высокого вакуума, внутри которого есть нагреваемый электрод (катод), эмиттирующий термоэлектроны, и анод, который, при подаче на него положительного (относительно катода) потенциала эти электроны улавливает. Между анодом и катодом могут располагаться несколько дополнительных электродов, выполненных в виде сеток, через которые электроны могут относительно свободно проходить.

Триод

Лампа с одной сеткой называется триодом. Ее анодный ток  есть функция анодного и сеточного напряжений (и ): . Следовательно, полное приращение анодного тока  при бесконечно малых приращениях  и :

                 (1)

Для триода , поскольку:

1) электрическое поле анода частично экранируется сеткой, и поэтому при равных потенциалах его напряженность у катода значительно меньше, чем напряженность поля сетки.

2) сетка расположена ближе к катоду, чем анод.

Свойства триода удобно охарактеризовать семей-ствами анодно-сеточных (Рис.1) или анодных (Рис.2) характеристик:

            

Рис. 1.                                        Рис. 2.

Частная производная  (при ) характеризует наклон анодно-сеточной характеристики в какой-то выбранной точке (выбранном режиме) и называется статической крутизной . Для наиболее распространенных триодов . Частная производная  (при ) имеет размерность проводимости. Обратная ей величина называется внутренним или дифференциальным сопротивлением лампы . Это сопротивление, которое лампа оказывает переменной составляющей анодного тока.  нужно отличать от сопротивления лампы постоянному току . Для некоторых ламп  на несколько порядков.

Теперь выражение (1) можно переписать в виде

                         (2)

или

                      (3)

где  называется статическим коэффициентом усиления лампы. Он показывает, во сколько раз сильнее влияет на анодный ток изменение , чем изменение .

Поскольку характеристики ламп (Рис. 1 и 2) нелинейны, то параметры , ,  будут разными в разных точках. Однако у характеристик современных ламп имеются достаточно большие приблизительно линейные участки, в пределах которых уравнения (2) и (3) выполняются и для конечных изменений тока и напряжений.

Более густые сетки сильнее экранируют поле анода, и поэтому лампа запирается (прекращается анодный ток) при меньших отрицательных напряжениях, чем у ламп с редкой сеткой. У триодов с густой сеткой  больше, их характеристики располагаются в основном в области  («правые» лампы). У триодов с редкой сеткой  меньше, их анодно-сеточные характеристики располагаются в области  («левые» лампы). Режимы с  обычно невыгодны из-за появления тока в цепи сетки.

Динамический режим

Обычно лампа используется в динамическом режиме, т.е. с нагрузкой в анодной цепи (Рис. 3).

Рис. 3.

По второму закону Кирхгофа

                                             (4)

Следовательно, крутизна лампы в динамическом режиме будет меньше, чем в статическом. Если известны напряжение питания  и , то динамические характеристики (на Рис. 1 и 2 обозначены штриховыми линиями) нетрудно построить на семействах сеточных характеристик. Особенно легко построить динамическую анодную характеристику, поскольку она – отрезок прямой.

Учитывая в формуле (4) только переменные составляющие, для их амплитуд получим  (5). Проинтегрировав (3) при условии, что  и  – расчет ведется для линейного участка характеристик – для амплитуд переменных составляющих получим . Отсюда с учетом (5):

                           (6)

Знак «-» означает сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного на . Подробнее работа усилительного каскада на триоде рассмотрена в работе № 5.

Рассмотрим схему (рис. 4), состоящую из генератора напряжения с амплитудой  и выходным сопротивлением , и нагрузки :

Рис. 4.

Напряжение на  здесь также описывается формулой (6). Таким образом, схему рис. 4 можно считать эквивалентной схемой усилительного каскада по переменному току.

Многоэлектродные лампы

Трехэлектродные лампы имеют ряд недостатков:

1) малые  и .

2) наличие емкости между анодом и сеткой (проходная емкость , обозначена на рис. 3 штриховкой).  составляет несколько , через нее часть сигнала с выхода попадает на вход, и поэтому возможно самовозбуждение каскада на высоких частотах (см. работу № 10).

Для устранения этих недостатков в лампу вводят дополнительную (“экранирующую”) сетку – между управляющей сеткой и анодом. Она создает дополнительную экранировку для электростатического поля анода, и поэтому  и  значительно повышаются. Такая четырехэлектродная лампа называется тетродом. На экранирующую сетку подается постоянное напряжение порядка . Экранирующая сетка соединяется с катодом через конденсатор достаточно большой емкости – тем самым устраняется возможность обратной связи через .

Анодно-сеточные характеристики тетрода приведены на рис. 5, анодная - рис. 6:

Рис. 5.                                    Рис. 6.

Т.к. анод довольно сильно экранирован двумя сетками, то сеточные характеристики для разных анодных напряжений сдвинуты незначительно. Зато изменение  вызывает достаточно резкий сдвиг характеристик, т.к. электростатическое действие поля экранирующей сетки ослабляется только одной управляющей сеткой. Анодно-сеточные характеристики тетродов всегда «левые».

Сильная нелинейность анодных характеристик тетрода объясняется динатронным эффектом. Эмитированные катодом электроны ударяют в анод и при достаточной скорости выбивают из него так называемые вторичные электроны (вторичная электронная эмиссия). В диодах и триодах этот эффект ни к чему не приводит, т.к. вторичные электроны тут же возвращаются на анод. При работе тетрода возможны режимы, когда . В этом случае вторичные электроны притягиваются к экранирующей сетке. Возникает ток вторичных электронов, направленный встречно . Результирующий анодный ток уменьшается (участок АВ). При дальнейшем росте  ток вторичной эмиссии уменьшается и при  становится равным нулю. Рост тока на начальном участке ОА объясняется тем, что при таких напряжениях скорости электронов для возникновения вторичной эмиссии недостаточно велики.

Для устранения динатронного эффекта в тетрод можно ввести еще одну сетку. Это достаточно редкая “защитная” сетка помещается между экранирующей сеткой и анодом и соединяется с катодом. Относительно анода она имеет отрицательный потенциал, поэтому вторичные электроны отталкиваются обратно на анод. Такая лампа называется пентодом. У пентодов благодаря дополнительному экранированию анода защитной сеткой  может достигать нескольких тысяч а  – нескольких мегаом

Анодно-сеточные характеристики пентода похожи на соответствующие для тетрода, только характеристики, соответствующие разным , располагаются еще ближе друг к другу. Анодные характеристики пентода изображены на рис. 6 штриховыми линиями. При нулевом анодном напряжении электроны под действием положительного потенциала экранирующей сетки полетают в ее отверстия, затем их движение замедляется, они останавливаются и возвращаются на экранирующую сетку – между экранирующей и защитной сетками возникает электронное облако. Анод действует на него через редкую защитную сетку, поэтому незначительное увеличение анодного напряжения дает быстрый рост анодного тока - участок крутого подъема анодных характеристик. При некотором анодном напряжении это электронное облако полностью рассасывается, и дальнейший рост анодного тока объясняется влиянием анода на прикатодное электронное облако. Это влияние слабое, поэтому характеристики идут очень полого.

В схемах модуляции и ряде других случаев иногда используют лампы с двумя управляющими сетками - гексоды и гептоды.

Крутизна  у всех типов ламп одного порядка.

В данной работе изучаются характеристики лампы 6Ж9П, включаемой по схеме тетрода или пентода. Схема установки приведена на рис. 7.

Рис. 7.

Установка содержит 4 источника питания: ИП1 выдает напряжение величиной  для питания лампы; ИП2 выдает одно из двух напряжений –  или  для питания экранной сетки; регулируемые источники ИП3 и ИП4, снабженные вольтметрами для контроля выхода, предназначены соответственно для питания управляющей сетки и анода. Падением напряжения на миллиамперметре, измеряющем анодный ток, можно пренебречь. Переключатель К1 позволяет исследовать статический либо динамический режим лампы. Переключатель К2 позволяет включать лампу в качестве тетрода или пентода.

Выполнение работы

  1.  Снятие статических сеточных характеристик пентода.

Установить анодное напряжение величиной . Для обоих значений напряжения экранной сетки получить данные о зависимости анодного тока от напряжения на управляющей сетке. Повторить измерения для анодного напряжения .

  1.  Снятие статических анодных характеристик пентода.

Для напряжения на экранной сетке  получить данные о зависимости анодного напряжения для двух значений напряжения на управляющей сетке –  и .

  1.  Снятие динамических характеристик пентода.

Установить напряжение на экранной сетке . Получить данные о зависимости анодного тока от анодного напряжения при напряжении на управляющей сетке  и о зависимости анодного тока от напряжения на управляющей сетке при анодном напряжении .

  1.  Снятие статических характеристик тетрода.

Получит анодную характеристику при напряжении на управляющей сетке , а также сеточную характеристику при анодном напряжении  и напряжении на экранной сетке .

Полученные данные представить в виде таблиц. Построить соответствующие графики. Все анодные и соответственно сеточные характеристики удобно разместить на одном графике. Для линейных участков характеристик определить: статическую крутизну , дифференциальное сопротивление , сопротивление лампы постоянному току , статический коэффициент усиления , а также величину .


Лабораторная работа № 12
Полевые транзисторы

Введение

Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. Полевые транзисторы предназначены для усиления мощности и преобразования электрических колебаний. В полевых транзисторах в образовании выходного тока участвуют носители только одного типа: или дырки, или электроны. Отсюда другое название полевых транзисторов – униполярные. Носители заряда являются основными для активной области полевого транзистора, которую называют каналом. Существует два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n переходом и с изолированным затвором (МДП).

1. Транзисторы с управляющим р-n переходом

Рассмотрим упрощенную структуру и принцип действия транзистора с управляющим р-n переходом (рис. 1, а). Транзистор представляет собой пластину полупроводника n- или р-типа, на гранях которой созданы области противоположного типа электропроводности (З), на границах между которыми образованы р-n переходы. На торцевых сторонах пластины и на областях формируют омические (невыпрямляющие) контакты. Контакты областей (З) соединены между собой и образуют общий контакт. От всех трех контактов имеются выводы. Часть объема пластины полупроводника, расположенная между р-n переходами, является активной частью транзистора – канал транзистора. Контакт, через который носители заряда входят в канал, называют истоком (И); контакт, через который носители заряда вытекают, называют стоком (С); общий электрод от контактов областей (З) – затвором. В дальнейшем будем рассматривать транзистор на основе пластины полупроводника n-типа (рис. 1, а) с областями на гранях р типа.

Рис. 1.

На оба р–n перехода подается обратное напряжение смещения (минус на затворе по отношению к истоку). Если бы канал был р-типа, а области на гранях n-типа, то полярность была бы обратной. При изменении  изменяются ширина p-n перехода, а, следовательно, и сечение канала и его электрическое сопротивление. Таким образом,  управляет сопротивлением канала.

Если между истоком и стоком включить источник напряжения  так, чтобы потенциал стока был положительным относительно истока, то через канал начнется дрейф основных для канала носителей заряда (электронов) от истока к стоку, т. е. через канал будет проходить ток  (направление тока от стока к истоку). Включение источника  влияет и на ширину p-n переходов, так как напряжение на p-n переходе оказывается разным около стока и истока. Потенциал канала меняется по его длине: потенциал истока равен нулю, повышаясь в сторону стока, потенциал стока равен . Напряжение смещения на p-n переходе вблизи истока равно , вблизи стока , т. е. ширина p-n перехода больше со стороны стока, а сечение канала и, следовательно, сопротивление его наименьшие вблизи стока (пунктирная линия на рис. 1, а).

Таким образом, током через канал можно управлять путем изменения напряжений  (изменяет сечение канала) и  (изменяет ток и сечение по длине канала).

Рассмотрим, какие критические значения могут принимать напряжения, при которых изменяется режим работы транзистора.

Обратное напряжение смещения , при котором наступает режим отсечки и транзистор оказывается запертым (ток через него не протекает, ), называют напряжением отсечки . При этом значении напряжения p-n переходы смыкаются и поперечное сечение канала становится равным нулю.

Напряжение на стоке, при котором суммарное напряжение становится равным напряжению отсечки  называют напряжением насыщения . Отсюда

,                     (1)

Режим, когда  называют режимом насыщения. В этом режиме почти прекращается рост тока , несмотря на увеличение напряжения . Это объясняется тем, что одновременно увеличивается обратное напряжение на затворе  (1), вследствие чего канал сужается, что уменьшает ток . И в результате ток  почти не изменяется.

Сравнивая оба режима, можно заключить, что в режиме отсечки сопротивление канала стремится к бесконечности и при  ток , а в режиме насыщения дифференциальное сопротивление , а ток  с ростом  остается без изменения.

На рис. 1,б,в показано обозначение транзисторов с управляющим p-n переходом с каналом n- и р-типа соответственно. Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют три схемы включения (рис. 2): с общим истоком (ОИ) (а), общим стоком (ОС) (б) и с общим затвором (ОЗ) с каналом n-типа (в). Основной схемой включения является схема с ОИ (см. рис. 1, а).

Основными статическими характеристиками транзистора с управляющим p-n-переходом являются выходные (стоковые) и характеристики прямой передачи (стокозатворные). Стоковые характеристики — это зависимости  при  (рис. 3). С повышением  ток  увеличивается почти прямолинейно и при достижение  (точки н) рост  прекращается. Насыщение наступает при тем меньших значениях , чем больше .

Рис. 2.

На рис. 4 показано семейство характеристик прямой передачи зависимости  при .

В динамическом режиме на работу транзистора существенное влияние оказывают зарядные емкости р-n переходов: входная  и проходная . Входная емкость  это часть барьерной емкости p-n перехода между затвором и истоком, а проходная  часть барьерной емкости р-n перехода между затвором и стоком. Кроме того, учитывают емкость между истоком и стоком . Эти емкости заряжаются через сопротивления каналов. Зарядка – разрядка емкостей происходит не мгновенно, что и обусловливает инерционность прибора, а следовательно, влияет на частотные свойства полевых транзисторов. Отметим, что так как (в отличие от биполярных транзисторов) работа полевых транзисторов не связана с инжекцией неосновных носителей заряда и их движением к коллектору, то они свободны от влияния этих факторов на их частотные свойства.

Рис. 3.    Рис. 4.

Основными параметрами транзисторов с управляющим р-n переходом являются:

крутизна стокозатворной характеристики, представляющая собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с ОИ . Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Как правило, ее измеряют при  и . Значения  обычно составляют несколько миллиампер на вольт;

входное дифференциальное сопротивление

,   (2)

где — ток затвора, вызванный движением неосновных носителей через p-n переход. Так как концентрация неосновных носителей в канале (рn) и в р–областях (nр) невелика, то обратный ток мал и почти не зависит от напряжения . Поэтому очень велико и составляет ;

выходное дифференциальное сопротивление (дифференциальное сопротивление цепи стока)

,   (3)

Это сопротивление равно ;

напряжение отсечки , т.е. – напряжение на затворе при  и ;

междуэлектродные емкости:  затвор-исток,  – затвор-сток,  – сток-исток. Эти емкости измеряют при разомкнутых по переменному току остальных выводах.

2. Транзисторы с изолированным затвором

Транзисторы этого типа называют также МДП–транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (если в качестве диэлектрика используют окисел – чаще всего диоксид кремния ). МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным. Основу МДП-транзистора со встроенным каналом (рис. 5, а) составляет слабо насыщенная примесью пластина (подложка) полупроводника с электропроводностью nили р–типа (на рисунке ), в которой созданы две сильно насыщенные примесью области противоположного типа электропроводности (на рисунке р+). Расстояние между р+–областями . Они соединены тонким слоем полупроводника того же типа электропроводности, что и р+–области, но этот слой слабо насыщен примесью (р–канал). Поверхность пластины полупроводника покрыта слоем диэлектрика толщиной . На слой диэлектрика над каналом нанесен металлический контакт – затвор (З). Области р+ также имеют металлические контакты, один из которых называют истоком (И), другой – стоком (С). Обычно для пластины полупроводника используют кремний, а в качестве диэлектрика – пленку диоксида кремния, выращенную на поверхности кремния путем окисления его при высокой температуре.

Рис. 5.

На рис. 6 показаны схемы включения МДП–транзистора: а — с общим истоком (ОИ); б — с общим стоком (ОС); в — с общим затвором (ОЗ) (полярность выводов на рисунке не показана, так как она зависит от режима работы).

Рис. 6.

Принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом рассмотрим на примере схемы с ОИ (рис. 6, а). В полупроводнике у его поверхности в электрическом поле происходит обеднение или обогащение приповерхностного слоя носителями заряда, что зависит от направления электрического поля в канале транзистора. Это направление электрического поля определяется знаком потенциала на затворе относительно пластины. Если на затвор подан положительный потенциал  электрическое поле будет выталкивать дырки из канала и канал обеднится основными носителями (дырками), а проводимость канала уменьшится. Если на затвор подан отрицательный потенциал, то дырки начнут втягиваться в канал и обогащать его основными носителями, проводимость канала увеличится. В первом случае транзистор работает в режиме обеднения, во втором случае — в режиме обогащения. Если исток и сток подсоединить к источнику питания , то начнется дрейф дырок через канал, т. е. через канал пройдет ток стока , значение которого зависит как от  так и от . При прохождении тока в канале создается падение напряжения. Потенциал истока равен нулю, а потенциал стока равен –  (как и в транзисторе с управляющим р-n переходом). На границе пластины n-типа с областями р-типа и каналом р-типа образуется р-n переход, который смещен в обратном направлении. Так как в МДП-транзисторах затвор изолирован от полупроводника пленкой диэлектрика, то эти транзисторы могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении

Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа показаны на рис. 7: выходные (стоковые) – на рис. 7,а, характеристика передачи (стокозатворная) — на рис. 7, б; для режима обеднения — область I, обогащения — область II.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (см. рис. 5, б) канал не создается в процессе изготовления, а образуется под воздействием электрического поля. Если к транзистору с ОИ подключить напряжение , по цепи стока пойдет обратный ток р-n перехода, значение которого очень мало. При подключении в цепь затвора напряжения  так, чтобы потенциал затвора относительно истока и пластины был обязательно отрицательным (для транзистора на рис. 5, б), под действием электрического поля под затвором приповерхностный слой пластины полупроводника объединится.

Рис. 7.

Если  достигнет определенного значения, называемого пороговым (, то слой полупроводника под затвором настолько обеднится, что произойдет его инверсия: образуется канал р-типа, который соединит обе области р-типа. Если , по каналу потечет ток стока. Изменяя напряжение на затворе  можно менять толщину и поперечное сечение канала и тем самым его сопротивление, а следовательно, и ток стока . На значение  влияет также напряжение . При этом изменяется и форма канала.

Семейство выходных статических характеристик (рис. 8, а) аналогично семейству выходных характеристик транзистора с управляющим p-n переходом. Однако характеристика для  в этом случае отсутствует, так как канал индуцируется при . Характеристики передачи (рис. 8, б)  при . Они сдвинуты относительно нуля координат на .

Рис. 8.

Параметры МДП-транзисторов те же, что и для транзисторов с управляющим р-n переходом. В качестве параметра используют также крутизну характеристики по подложке:

,   (4)

с помощью которого учитывается влияние напряжения на пластине на ток стока.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом используют чаще, чем транзисторы с встроенным каналом. Существенно то, что при отсутствии сигнала на входе они находятся в закрытом состоянии и не потребляют мощности от источника питания.

3. Применение полевых транзисторов.

Полевые транзисторы нашли широкое применение в радиоэлектронике. МДП–транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (, иногда до ). Транзисторы с управляющим р-n переходом имеют более низкое входное сопротивление (до  при комнатной температуре). Кроме того, параметры МДП-транзисторов меньше зависят от температуры, чем биполярные (так как принцип их работы основан на использовании только основных носителей). Полевые транзисторы могут работать при низких температурах (вплоть до близких к абсолютному нулю), имеют высокую стабильность параметров во времени при воздействии различных внешних факторов, обладают высокой радиационной устойчивостью (она на порядок больше, чем кремниевых биполярных, но ниже, чем у радиоламп), что важно при использовании транзисторов в космической технике.

Полевые транзисторы просты в изготовлении, поэтому выход годных приборов выше, чем биполярных. При использовании их в интегральных микросхемах удается получать высокую плотность расположения элементов (на порядок выше, чем в схемах на биполярных транзисторах). В монолитных интегральных схемах на МДП-транзисторах их можно использовать в качестве резисторов (МДП-транзисторы, работающие на ненасыщенных участках статических характеристик). Полевые транзисторы применяют в логических схемах, так как большие матрицы из этих элементов располагаются очень компактно. Их широко используют в цифровых вычислительных машинах.

Однако, несмотря на целый ряд преимуществ полевых транзисторов перед биполярными, они не могут заменить их полностью. Это, в частности, связано с малым коэффициентом усиления полевых транзисторов. Рабочий диапазон частот полевых транзисторов значительно меньше, чем биполярных: их чаще всего используют до частот в несколько мегагерц.

Выполнение работы

Определение параметров полевых транзисторов производится на компьютеризированной лабораторной установке, согласно соответствующей инструкции.


Лабораторная работа № 13
Изучение элементной базы, топологии и
конс
трукции полупроводниковых интегральных микросхем

1. Основные понятия

Полупроводниковая интегральная микросхема – микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

– малые интегральные схемы (МИС) – схемы со значением  от  до ;

– большие интегральные схемы (БИС) – схемы со значением  от  до К;

– сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – схемы со значением.  от  и выше, где  – степень интеграции (см. работу №13).

Плотность упаковки  определяют по формуле:

,   (1)

где  – объем микросхемы без учета выводов.

По выражению (1) видно, что плотность упаковки бескорпусных микросхем будет значительно выше.

2. Конструкция и топология элементной базы полупроводниковых ИМС

Элементы полупроводниковых ИМС выполняют функцию электрорадиоэлемента. К ним относят: резистор, конденсатор, диод, транзистор, полевой транзистор, МДП-транзистор. Кроме этого, при проектировании полупроводниковых ИМС применяют вспомогательные элементы: диффузионные перемычки, контактные площадки и фигуры совмещения. Ниже будут рассмотрены конструкция и топология всех этих основных и вспомогательных элементов.

Резисторы полупроводниковых ИМС формируются на основе слоев: эмиттерного, базового, и базового под эмиттерным (пинч–резисторы). Так как базовый и эмиттерный слои получают диффузией, то и резисторы называют диффузионными.

Рис. 1.

На рис. 1, а приведена конструкция диффузионного резистора на основе базового р–слоя. Как видно из рисунка, тело резистора размещается в кармане n–типа проводимости, который размещается в пластине p–типа. Величину сопротивления резистора R определяют по формуле:

,  (3)

где  – удельное поверхностное сопротивление базового слоя, lдлина резистора, b – ширина резистора,  – коэффициент формы резистора.

На рис. 1, б приведена конструкция диффузионного резистора на эмиттерном n+-слое. Такие резисторы из–за сильного легирования получают низкоомными, их применение ограничивается низким пробивным напряжением () p-n перехода эмиттер-база.

На рис. 1, в показана конструкция пинч–резистора в базовом слое, толщина которого уменьшена за счет эмиттерного слоя до величины . Третье контактное окно на пинч–резисторе необходимо для подключения эмиттерного слоя к высокопотенциальной части резистора для запирания р–n+ перехода на резисторе.

В полупроводниковых ИМС две разновидности конденсаторов: МДП-конденсатор и диффузионный конденсатор. Конструкция первого приведена на рис. 2. Нижняя обкладка такого конденсатора образована n+-эмиттерным слоем, диэлектриком является окись кремния, а верхняя обкладка алюминиевая. Для получения больших удельных емкостей необходимо применять тонкий диэлектрик, однако это приводит к уменьшению пробивного напряжения конденсатора. Величина емкости определяется по формуле:

,    (3)

где  — удельная емкость проводящего слоя на пластину, ,  – площадь перекрытия обкладок,  – диэлектрическая проницаемость окиси кремния,  – толщина диэлектрика.

Рис. 2.

Рис. 3.

Для формирования диффузионных конденсаторов используются барьерные емкости обратно смещенных p-n переходов: эмиттер-база, база-коллектор и коллектор-пластина. Конструкция диффузионного конденсатора совпадает с конструкцией транзистора (рис. 4) и отличается числом выводов, которых по числу обкладок будет два. Использование данных конденсаторов имеет особенность: р-n переход, используемый в качестве конденсатора, должен быть во всех режимах работы смещен в обратном направлении.

Диоды полупроводниковых ИМС можно сформировать на любом из p-n переходов планарно-эпитаксиального транзистора. Наиболее удобны для этих целей переходы эмиттер-база и база-коллектор. Пять возможных вариантов диодного включения транзисторов приведены на рис. 3, где в качестве диода используются: переход база-эмиттер с коллектором, закороченным на базу (а); переход коллектор-база с эмиттером, закороченным на базу (б); параллельное включение обоих переходов (в); переход эмиттер-база с разомкнутой цепью коллектора (г); переход база-коллектор с разомкнутой цепью эмиттера (д).

В полупроводниковых ИМС биполярный n-p-n транзистор является основным схемным элементом (рис. 5). У n-p-n транзисторов быстродействие при прочих равных условиях лучше, чем у p-n-р транзисторов. Это объясняется тем, что подвижность электронов выше, чем дырок.

Рис. 4.

Рис. 5.

Начнем анализ с простейшей конструкции биполярного транзистора n+-р-n (рис. 4). Эмиттер транзистора сильно легируют до получения максимального коэффициента инжекции. Базу транзистора для повышения коэффициента переноса делают тонкой и низколегированной, так, чтобы толщина базы () была намного меньше диффузионной длины инжектированных в базу электронов.

Рис. 6.

Под коллектором располагают низкоомный слой n+ (скрытый слой) для уменьшения сопротивления коллектора при работе последнего в режиме насыщения. В тех случаях, когда транзистор не переходит в режим насыщения, скрытый слой не делают. При контакте полупроводника n-типа с трехвалентным алюминием, который является акцептором, последний может диффундировать в коллектор с образованием области р-типа и паразитного р-n перехода. Для предотвращения образования паразитного перехода область коллекторного контакта легируют до n+.

Принцип работы МДП-транзистора основан на модуляции сопротивления проводящего канала между истоком и стоком под действием потенциала затвора. Для упрощения изложения материала далее будут рассматриваться МДП-транзисторы с индуцированным каналом, т. е. с каналом, который наводится в области между истоком и стоком только при наличии потенциала на затворе.

Различают по типу проводимости канала n-канальные (рис. 6,а) и р-канальные (рис. 6, б) МДП – транзисторы. Отметим, что у n-МДП-транзисторов быстродействие больше, так как подвижность основных носителей – электронов больше, чем дырок.

Как видно из рисунков, МДП-транзистор имеет 4 вывода: исток, сток, затвор и подложка. При симметричной конструкции исток и сток в МДП-транзисторах обратимы и их можно поменять местами при включении транзисторов в схему.

Особенностью МДП ИМС является то, что в качестве пассивных элементов используют МДП-транзисторы. При использовании МДП-транзистора в качестве резистора необходимо на его затвор подавать постоянное напряжение, величина которого будет определять номинал сопротивления. В качестве конденсаторов в МДП ИМС используют емкость затвор-подложка или барьерную емкость p-n перехода сток(исток)-подложка. МДП ИМС, у которых в объеме кристалла сформированы одновременно n- и р-канальные МДП-транзисторы, называются комплементарными (рис. 6, в).

Как видно из рисунка, для формирования комплементарной структуры необходимо формировать р-карман для размещения n-МДП-транзисторов. Кроме того, для устранения влияния паразитных МДП-транзисторов применяют охранные кольца р+- и n+-типа, которые могут опоясывать один или несколько транзисторов с каналом одного типа проводимости.

Принцип работы полевого транзистора также, как и МДП-транзистора, основан на модуляции толщины проводящего канала и его сопротивления под действием потенциала затвора. Канал образуется между стоком и истоком. Толщина канала регулируется двумя обратно смещенными p-n-переходами: затвор-эпитаксиальный слой и эпитаксиальный слой-подложка. В указанной конструкции на затвор подается отрицательный потенциал относительно истока.

3. Фигуры совмещения

Элементы полупроводниковых ИМС изготавливают послойно, методом фотолитографии. Для точного нанесения изображения очередного фотослоя на предыдущий используют т.н. фигуры совмещения. Они имеют прямоугольную или крестообразную форму или выполняются в виде набора рисок разной толщины. Рассмотрим наиболее простые фигуры квадратной формы. Каждая фигура состоит из двух квадратов основного (внешнего) и встроенного (внутреннего). Качество совмещение определяют по взаимному положению основного и встроенного квадратов. Совмещение будет идеальным, если все фигуры концентричны. Чаще всего фигуры совмещения располагают на периферии кристалла между внешними контактными площадками.

Выполнение работы

1. По указанию преподавателя выбрать для изучения несколько образцов ИМС из имеющихся в наличии.

2. Внимательно изучить с помощью микроскопа каждую микросхему. Для удобства наблюдений возможно размещение кассеты с образцом под некоторым небольшим углом к плоскости столика микроскопа, следует также подобрать оптимальные уровни освещенности (подсветки).

3. Предварительно определив цену деления отсчетной координатной сетки микроскопа, измерить размеры кристалла ИМС и вычислить площадь его поверхности. Указать количество внешних контактных площадок (внутри корпуса ИМС) и контактных ножек.

4. Исходя из нумерации ножек (от ключа против часовой стрелки) и приведенных фрагментов электрических схем найти на кристаллах следующие элементы – для ИМС 133 ЛА6 и 134 ЛА8 – транзисторы VT1, для ИМС 140 УД8 – полевой транзистор VT3, для ИМС 134 ТМ2 – транзисторы VT2 и VT3 и зарисовать эскизы их топологии, с указанием размеров транзисторов и обозначением областей (база, эмиттер и т. д.)

5. Определить способ изоляции элементов в микросхеме – диэлектриком или p-n переходом (контур области изоляции диэлектриком (контур”кармана”) имеет вид темной утолщенной линии, при этом прямые углы в контуре закруглены. Вне контура «кармана» на поверхности кристалла наблюдаются характерные крапинки. Контур области изоляции p-n переходом имеет вид тонких темных линий с прямыми углами без закруглений.


Лабораторная работа № 14
Гибридные интегральные микросхемы

Введение

Микросхема — микроэлектронное устройство, имеющее высокую плотность расположения радиоэлементов и рассматриваемое как единое целое. Если все эти радиоэлементы или их часть нераздельно связаны между собой, то такая микросхема называется интегральной микросхемой (ИМС).

Радиоэлемент, выполненный нераздельно от ИМС, принято называть элементом. Если же этот радиоэлемент (резистор, конденсатор, транзистор и т.д.) может быть выделен как самостоятельное изделие, то его называют компонентом.

Плёночная интегральная микросхема — это ИМС, элементы которой выполнены в виде плёнок. Плёночные ИМС подразделяются на тонкоплёночные и толстоплёночные. Главный критерий этого разделения — особенности технологии изготовления.

Тонкоплёночная ИМС имеет толщину плёнок до 1 мкм. Её элементы наносятся на подложку (заготовку основания ИМС) преимущественно методами термовакуумного осаждения и напыления.

Элементы толстоплёночной ИМС (с толщиной плёнок свыше 1мкм) наносятся на подложку путём продавливания паст (проводящих, диэлектрических, резистивных) через специальные сетчатые трафареты. После высыхания пасты вжигаются в подложку.

Кристалл — пластинка полупроводника, в объёме и на поверхности которой сформированы все элементы полупроводниковой ИМС. Полупроводниковая ИМС компонентов не содержит.

Гибридная ИМС (ГИС) содержит, кроме элементов, компоненты и (или) кристаллы.

Плата ИМС — часть подложки (подложка) гибридной (плёночной) ИМС, на поверхности которой сформированы все плёночные элементы, соединения и контактные площадки.

Контактная площадка — металлизированный участок на плате, предназначенный для соединения выводов элементов, компонентов, кристаллов, перемычек, а также для контроля электрических параметров и режимов функционирования ИМС.

Корпус ИМС — часть конструкции ИМС, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями с помощью выводов.

Бескорпусная ИМС — кристалл полупроводниковой ИМС, предназначенный для монтажа в гибридную ИМС.

Микросборка — микросхема, состоящая из различных элементов и (или) ИМС, которые имеют отдельное конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа в изделие. Элемент микросборки имеет внешние выводы и корпус.

Параметры ИМС

Сложность ИМС в зависимости от числа содержащихся в ней элементов и (или) компонентов характеризуется степенью интеграции:

,    (1)

где  — количество элементов и компонентов. Величина , округлённая до ближайшего большего целого числа, и называется степенью интеграции ИМС.

Интегральная плотность  ИМС – это число элементов и компонентов, приходящихся на единицу площади корпуса ИМС.

Интегральная плотность компонентов на подложке (кристалле)  – это число элементов и компонентов, приходящихся на единицу площади подложки (кристалла). 

1. Подложки ГИС

К подложкам ГИС предъявляются следующие основные требования:

высокая механическая прочность при малой толщине

высокие объёмное и поверхностное удельное электрическое сопротивление и малый тангенс угла диэлектрических потерь

температурные коэффициенты линейного расширения подложки и плёнок

должны быть достаточно близки

химическая инертность к осаждаемым веществам и используемым в процессе

изготовления растворам

физическая и химическая стойкость при нагреве до высоких температур

незначительное газовыделение в вакууме

хорошая адгезия с осаждаемой плёнкой

хорошая теплопроводность

хорошая полируемость

низкая стоимость

В полной мере перечисленным требованиям не удовлетворяет ни одна подложка. Рассмотрим наиболее часто применяемые материалы подложек ГИС. Ситалл – продукт кристаллизации стекла с мелкими () кристаллитами. По своей структуре ситаллы занимают промежуточное положение между аморфными стёклами и керамикой. Ситаллы различных марок содержат оксиды кремния, титана, магния, бора др. Благодаря наличию мелкокристаллической фазы ситаллы примерно вдвое прочнее стёкол, они хорошо обрабатываются, полируются, выдерживаю большие перепады температур, обладают малой газопроницаемостью. Ситаллы широко используются при изготовлении подложек как тонкоплёночных, так и толстоплёночных ИМС.

Керамические подложки сравнительно дешевы, имеют хорошие электрические параметры, высокую теплопроводность, позволяющую изготавливать мощные схемы. Их недостатки — относительно низкая механическая прочность и трудности, связанные с полировкой — поверхность керамики после спекания всегда шероховатая.

Наиболее часто используются керамики на основе окиси алюминия. У керамических подложек на основе окиси бериллия (брокерит) теплопроводность на порядок лучше, но при получении и обработке бериллиевой керамики образуется токсичная пыль.

Подложки из кварца применяются для создания стабильных фильтров, генераторов и других активных элементов на основе пьезоэлектрических свойств кварца.

Металлические подложки – из сплавов на основе алюминия и титана, покрытых слоем диэлектрика, или эмалированные стальные. Обеспечивают хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жёсткость конструкции. Металлические подложки, как и керамические, могут являться элементом корпуса ИМС. Применяются также гибкие подложки из полимерных материалов. Перспективны подложки из сапфира, особенно для ВЧ и СВЧ микросхем. Сапфир – монокристаллическая окись алюминия. Отличается весьма малыми диэлектрическими потерями, высокой теплопроводностью, прочностью и устойчивостью, очень хорошо полируется, но обладает высокой стоимостью.

2. Элементы ГИС

Резисторы. На рисунках 1 и 2 приведены типичные конструкции плёночных резисторов. После изготовления номиналы резисторов могут быть подогнаны до нужной величины путём вырезания части резистивной плёнки лучом лазера.

Рис. 1.

Рис. 2.

Конденсаторы. Конструкции плёночных конденсаторов приведены на рисунках 3 и 4. При изготовлении конденсатора, показанного на рис.3, может возникнуть некоторое смещение обкладок, влияние которого на ёмкость конденсатора устраняет компенсатор, который располагают против вывода верхней обкладки. Действительно, при смещении верхней обкладки в направлении стрелки А площадь перекрытия под плёночным проводником увеличится, а под компенсатором – на столько же уменьшится. В результате общая площадь перекрытия, а, следовательно, и ёмкость конденсатора останутся без изменений. В гребенчатых конденсаторах ёмкость определяется диэлектрическим зазором между зубьями гребёнок. Гребенчатые конденсаторы имеют малую ёмкость.

Рис. 3.

Индуктивные элементы выполняют в виде плоских плёночных спиралей круглой или прямоугольной формы. Прямоугольная форма спирали предпочтительней как более технологичная и обеспечивающая более высокую интегральную плотность. Плёночные индуктивные элементы имеют индуктивность от 0,1 до 10 мкГн и добротность от 50 до 200.

Рис. 4.

3. Компоненты ГИС

В качестве компонентов ГИС применяют диоды и диодные матрицы, транзисторы и транзисторные матрицы, кристаллы, трансформаторы и т.д. Кроме этого, в ГИС не всегда целесообразно, а иногда и невозможно изготовить резисторы, конденсаторы и индуктивные элементы с заданными параметрами в виде плёнок. В таких случаях их применяют в виде компонентов. Компоненты могут иметь жёсткие или гибкие выводы для присоединения к контактным площадкам.

Выполнение работы

1. Рассмотреть под микроскопом предложенные преподавателем кассеты с гибридными интегральными микросхемами и составить таблицу, в графах которой указать для каждой микросхемы:

  •  наименование микросхемы (указано на корпусе);
  •  тип технологии (тонкопленочная или толстопленочная);
  •  количество элементов (отдельно количество резисторов, конденсаторов, индуктивностей и общее количество элементов)
  •  количество компонентов (раздельно по типам: транзисторы, диоды, кристаллы, конденсаторы и т.д., а также общее количество).

2. По результатам измерений и подсчетов определить параметры каждой микросхемы: общее количество элементов и компонентов, интегральную плотность, интегральную плотность на подложке, степень интеграции.


Лабораторная работа № 15
Цифровые микросхемы

Введение

В цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и обработки информации используются устройства, осуществляющие логические операции – преобразования по правилам алгебры логики (или Булевой алгебры) входной цифровой логической информации.

Простейшие в функциональном отношении логические устройства, выполняющие одну определенную логическую операцию над входными сигналами, называют логическим элементом.

В алгебре логическая истинность суждения или высказывания о той или логической операции обозначают символом 1, ложность – 0. Таким образом, логические переменные и функции от них (результаты логических операций) могут принимать только два значения, которым присваивают соответственно значения 0 или 1. Поэтому, чтобы реализовать алгебру логики на электронных устройствах, необходимо определенным параметрам этих устройств присвоить значение 0 или 1. Задают значения параметров обычно уровнями напряжения. Если высокому уровню напряжения (положительного или отрицательного) присваивается логическая единица, а низкому, близкому к нулю, — логический нуль, то логику называют положительной, если наоборот – отрицательной.

Система логических элементов, на базе которых можно строить логические устройства любой сложности, называется функционально полной. 

1. Элементарные логические операции и типы логических элементов

Такую систему, в частности, образуют 3 логических элемента, схемные обозначения которых приведены на рис.1, выполняющие операции (независимые переменные обозначены  и , результаты операций – )

Рис. 1.

а) отрицание,  («НЕ» или инверсия) – сигнал на выходе противоположен входному,

б) конъюнкция,  («И» или логическое умножение) – на выходе 1, только если 1 на всех входах,

в) дизъюнкция,  («ИЛИ», или логическое сложение) – на выходе 1, если хотя бы на одном из входов 1.

Для характеристики работы логических элементов часто используют т.н. таблицы истинности, где указывают все возможные комбинации входных сигналов (состояний) и соответствующие этим комбинациям выходные.

2. Методы реализации логических элементов

Устройства, выполняющие элементарные логические операции, можно создавать на основе различной элементной базы. Вначале использовались в основном электрические реле, затем радиолампы, транзисторы и в последнее время – интегральные микросхемы. Рассмотрим некоторые возможные схемные решения логических элементов, работающих с сигналами положительной полярности (на основе дискретных элементов).

Рис. 2.

Элемент «НЕ» – усилительный каскад на кремниевом биполярном транзисторе, работающем в ключевом режиме (рис.2, а): уровень сигнала на входе меньше напряжения отпирания транзистора (порядка ), транзистор заперт и напряжение на входе равно напряжению питания. При подаче на вход высокого уровня входного сигнала транзистор открывается, в его коллекторной цепи протекает ток насыщения, почти все напряжение питания падает на резисторе  и на выходе устанавливается напряжение логического нуля. Резистор  ограничивает базовый ток при открытом транзисторе.

Элемент «И» на диодах (рис.2, б). Если на входе  или  действует логический , то соответствующий диод будет открыт, по цепи , ,  (или ), источник  (или ) потечет ток, и почти все напряжение  будет падать на резисторе , соответственно на выходе будет логический . Логическая  будет на выходе, только если оба диода заперты, т.е. на входах  и  одновременно будет присутствовать логическая единица. Для нормальной работы элемента необходимо, чтобы напряжение питания  было несколько меньше уровня логической единицы.

Элемент «ИЛИ» на диодах (рис.2, в): на выходе будет логическая , если хотя бы на одном входе будет логическая .

3. Интегральные логические элементы

Логические элементы в интегральном исполнении могут выполняться по логике различных типов. Рассмотрим некоторые типы логики. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – элементы «И» и «ИЛИ» построены на диодах, элементы «НЕ» – на биполярных транзисторах. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) – все элементы выполнены на биполярных транзисторах, элементы «И2 – на многоэмиттерных транзисторах. Логика на основе полевых МОП-транзисторов. МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах. В качестве инвертора, например, используется пара МОП транзисторов, один из которых имеет проводящий канал n-типа, а другой – p-типа, включенных по питанию последовательно. Благодаря этому ток в схеме течет практически только в момент перехода из одного логического состояния в другое, все остальное время он очень мал (единицы наноампер). Поэтому микросхемы этого типа отличаются высокой экономичностью.

4. Параметры логических микросхем

Логические (или цифровые) микросхемы выпускаются сериями, каждая из которых включает логические элементы, элементы памяти, индикации и контроля. Все микросхемы в пределах серии имеют один тип логики, одинаковые напряжения питания, одинаковые значения уровней 0 или 1, унифицированные корпуса. Это облегчает проектирование и изготовление радиотехнических устройств. Одна микросхема содержит несколько независимых логических элементов, обычно однотипных. Каждый такой элемент выполняет или одну элементарную логическую операцию или (гораздо чаще) более сложные логические операции – несколько операций последовательно (например, И-НЕ), он может иметь несколько входов (например, схема И с четырьмя входами).

Основные параметры логических элементов:

  •  напряжение питания, 0 и 1 (номинальные значения и допустимые отклонения)
  •  потребляемый ток (средний или отдельно в каждом состоянии выхода)
  •  средняя потребляемая мощность
  •  время задержки распространения сигнала (выполнение логической операции) – раздельно для переходов 0 – 1 и 1 – 0 или среднее
  •  коэффициент разветвления по выходу – максимальное число нагрузок (входов других элементов данной серии), которые можно подключить к выходу.

В работе исследуются микросхемы ТТЛ серий 133, 155, 1531, каждая из которых представляет собой 4 элемента «2И-НЕ». Элементы используются в качестве инверторов.

Выполнение работы

1. Установить ручки управления в следующие положения: переключатель режимов работы – в положение «ИЗМЕРЕНИЯ», переключатель типов микросхем в положение «К155ЛА3», регулятор напряжения питания  – в крайнее правое положение, регулятор входного напряжения элементов микросхем  – в крайнее левое положении, тумблеры подключения входов – отключены (нижнее положение), кнопка включения нагрузки – не нажата.

2. Включить сетевой выключатель (на правой боковой стенке прибора).

3. Включить один из входов микросхемы. Получить данные о зависимости выходного напряжения и тока потребления от входного напряжения. Добившись высокого уровня на выходе, нажать кнопку «ВКЛ» переключателя «НАГРУЗКА» – в этом положении к выходу каждого элемента подключаются нагрузочные резисторы сопротивлением  – и зафиксировать величину уменьшения выходного напряжения. Отключить нагрузки, нажав кнопку «ОТКЛ». Отключить вход исследуемого элемента.

4. Повторить измерения пункта 3 для других элементов (микросхем) и других значений напряжения питаний – по указанию преподавателя.

5. Перевести переключатель режимов работы в положение «ГЕНЕРАТОР». При этом 3 элемента исследуемой микросхемы соединяются в кольцо – вход к выходу, тем самым создается генератор на внутренних задержках переключений элементов микросхемы с высокого уровня на низкий и обратно. Подключить гнездо «Выход генератора» к осциллографу (скорость развертки – максимальная). По осциллограмме определить период колебаний . Легко показать, что , где  – среднее время переключения элемента с одного уровня на другой.

6. Повторить пункт 5 для других микросхем.

7. По результатам измерений построить графики зависимости выходного напряжения и тока питания от входного напряжения, определить следующие параметры: напряжения высокого и низкого уровней, ток потребления одного логического элемента каждой микросхемы при высоком и низком уровнях на выходе, а также ток для одного элемента в режиме переключения; выходное сопротивление одного логического элемента каждой микросхемы; среднее время переключения.


Лабораторная работа № 16
Изучение дифференцирующих и интегрирующих ц
епей

Введение

В электронике зачастую возникает необходимость в устройствах, выходной сигнал которых пропорционален производной от входного сигнала или интегралу от него. Простейшие устройства, осуществляющие эти операции – дифференцирующие и интегрирующие цепи.

1. Дифференцирующие цепи

Варианты дифференцирующих цепей приведены на рисунке:

а                                                 б

Рис. 1

Рассмотрим цепь на рис. 1, а. Согласно второму правилу Кирхгофа:

,                          (1)

По определениям, емкость конденсатора , а ток , отсюда получаем:

,                        (2)

Подставляем (2) в (1):

,                    (3)

Продифференцируем (3) по времени:

,                    (4)

Подставив в (4) выражение для тока из закона Ома , получаем:

,                   (5)

Если выполняется условие , то

,                        (6)

Из формулы (6) видно, что величина  имеет размерность времени. Она называется постоянной времени  цепи. Из приведенных формул следует, что чем меньше эта постоянная, тем точнее дифференцирование, но при этом уменьшается величина выходного сигнала.

2. Интегрирующие цепи

а                                                 б

Рис.2.

Рассмотрим цепь, изображенную на рис. 2,а. По второму правилу Кирхгофа:

,                         (7)

Из формулы (2) получим выражение для тока  и подставим его в (7) получим:

,                   (8)

Если выполняется условие , то , отсюда

,                         (9)

Из формул (8) и (9) следует, что чем больше постоянная времени цепи, тем точнее интегрирование, но при этом уменьшается величина выходного сигнала.

3. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка содержит генератор сигналов специальной формы четырех различных видов, две дифференцирующие цепи с различными постоянными времени (одна из них – с переменной величиной постоянной времени), две интегрирующих цепи (одна из них – с регулируемой величиной постоянной времени) также с различными постоянными времени. Назначение органов управления:

Нижний ряд (слева направо): клемма заземления; гнездо для подключения входа осциллографа; тумблер для подключения гнезда к выходу генератора или к выходу дифференцирующей (интегрирующей) цепи; два тумблера для изменения формы выходного напряжения генератора.

В верхнем ряду расположены 4 тумблера, каждый из которых подключает к выходу генератора одну из дифференцирующих цепей. Соответственно этот же тумблер подключает (через тумблер в нижнем ряду) выход этой же цепи к выходному установки. Поэтому одновременной должен быть включён (т.е. находиться в верхнем положении) не более чем один тумблер верхнего ряда.

Выполнение работы

1. Для одного из вариантов выходного сигнала генератора зарисовать осциллограммы этого сигнала, а также выходных сигналов обеих дифференцирующих, а также интегрирующих цепей. По осциллограммам установить, какие тумблеры подключают интегрирующие, а какие дифференцирующие цепи, а также сравните величины постоянных времени двух дифференцирующих (и соответственно, двух интегрирующих) цепей между собой.

2. Повторить, по указанию преподавателя, пункт 1 для других форм выходного напряжения генератора.


Лабораторная работа № 17
Гармонический анализ

Введение

Цель работы: изучение спектров различных радиосигналов.

Любое радиоэлектронное устройство реагирует на радиосигнал как на совокупность простых гармонических (синусоидальных) сигналов различной частоты. Для выявления этой совокупности применяется гармонический анализ, использующий разложение в ряды Фурье (для периодических сигналов) и преобразование Фурье (для непериодических сигналов).

В радиоэлектронных устройствах действуют сигналы различной формы. Они могут быть периодическими и непериодическими. Функция называется периодической, если существует такое число Т, называемое периодом, что выполняется условие:

,                           (1)

Строго говоря, функция  должна существовать бесконечно долго. Кроме сигналов, имеющих форму гармонической функции, то есть вида:

,                      (2)

Широкое распространение в радиотехнике получили и негармонические (сложные) сигналы. Например, такие как амплитудно-модулированный сигнал, рис.1а, колебания типа «меандр», рис.1, б, импульсы, рис.1, в.

а)                           б)                                в)

Рис. 1

В современной радиотехнике нашел широкое применение спектральный метод анализа действия сложных ЭДС на различные цепи.

При этом сложные ЭДС представляются через простые – гармонические составляющие. Совокупность гармонических составляющих сложной ЭДС называется спектром этого сигнала. Спектр может быть представлен в виде графика, изображающего зависимость амплитуд гармонических составляющих от частоты.

1. Спектр периодических ЭДС. Ряд Фурье

Если периодическая функция удовлетворяет условиям Дирихле, то ее можно представить рядом тригонометрических функций, то есть рядом Фурье

,       (3)

где

,                         (4)

— среднее значение функции за период (постоянная составляющая).

,                   (5)

– коэффициент разложения для косинусоидальных составляющих ряда Фурье.

,                  (6)

– коэффициент разложения для синусоидальных сигналов.

Если функция  четная, то , если функция  нечетная, то . Формулу (3) можно записать в другой форме:

,          (7)

Здесь

,                               (8)

– угловая частота первой гармоники, то есть колебания, период которых  равен периоду разлагаемой функции

,                               (9)

,                       (10)

,                       (11)

,                        (12)

где  – амплитуда -той гармоники,  – начальная фаза -той гармоники.

Используя формулу Эйлера

,                    (13)

ряд Фурье (7) можно записать в комплексной форме (15)

,         (14)

,      (15)

Введем обозначения:

, , ,       (16)

,(17)

Формула (17) есть ряд Фурье в комплексной форме. Здесь  – комплексная амплитуда -той гармоники, которую можно выразить через заданную функцию . Из формул (11), (12)

Используя формулы (5) и (6)

,    (18)

Кроме комплексной амплитуды, введем понятие спектральной функции, которая имеет вид

,                   (19)

Между комплексной амплитудой  и спектральной функцией имеется следующая связь

,               (20)

Спектральная функция имеет важный физический смысл. По виду квадрата модуля спектральной функции, то есть по виду  можно судить о распределении энергии в спектре непериодического сигнала.

Итак, найти спектр какого-либо электрического сигнала означает, что требуется найти постоянную составляющую и коэффициенты синусоидальных и косинусоидальных составляющих, если используется ряд Фурье в форме (3) или (7). Или необходимо определить спектральную функцию , а затем ее модуль или комплексную амплитуду, а затем ее модуль, если используется ряд Фурье в комплексной форме (17).

В качестве примера найдем спектр сигнала, имеющего форму периодических импульсов (рис.2).

Рис. 2

Начало отсчета мы выбираем таким образом для того, чтобы функция  получилась четной

,

где  – постоянная составляющая сигнала.

Так как , то

Если мы пользуемся комплексной формой ряда Фурье, нам необходимо найти комплексную амплитуду  или спектральную функцию

Рис. 3.

Рис. 4.

График спектральной функции представлен на рис.3, а модуль спектральной функции на рис.4.

Частотный спектр последовательности импульсов можно графически представить следующим образом (рис.5).

Следует отметить, что спектральная функция не зависит от периода Т.

Рис. 5.

2. Спектр непериодической ЭДС. Интеграл Фурье.

Непериодический сигнал  (рис.6) можно представить как периодический с . При увеличении периода следования до бесконечности величина  стремится стать бесконечно малой. Это означает, что интервалы между линиями спектра по шкале частот (рис.5) становятся бесконечно малыми – . Так как дискретные значения частот теряют смысл, вместо частоты  целесообразно использовать понятие текущей частоты . Спектральная функция вместо формы (19) будет иметь вид

,                        (21)

,         (22)

Тогда для получения аналитического выражения спектра непериодического сигнала необходимо вместо ряда Фурье (17) записать интеграл Фурье

,       (23)

Выполнение работы

1. Ознакомится с описанием генератора сигналов специальной формы и анализатора спектра.

2. Для предложенных форм сигнала генератора рассчитать теоретические спектры и сравнить их с найденными с помощью анализатора.


2. Анализ вычисления погрешностей и обработка результатов

2.1 Погрешность однократного измерения

Максимально возможную погрешность однократного измерения можно определить, зная класс точности прибора. У электронных приборов со стрелочным индикатором или у стрелочных приборов класс точности обычно обозначен прямо на шкале. В этом случае максимальная погрешность измерения (абсолютная) определяется как , где  – класс точности,  – верхняя граница диапазона (шкалы). Иногда правила определения погрешности указаны в паспорте прибора. Если других данных нет, за величину абсолютной погрешности принимают половину цены деления шкалы или единицу младшего разряда (для цифровых индикаторов). Следует заметить, что определяемая таким образом погрешность не является в чистом виде ни систематической, ни случайной.

Если, например, получено значение некоторого напряжения  В, а вычисление погрешности дало  В, то можно заметить, что уже цифра «3» в разряде единиц вольт определена с малой точностью, поскольку погрешность превышает 4 В. Тем более, десятые и сотые доли вольта в результате вообще физического смысла не имеют. Кроме того, если определить относительную погрешность, с которой определяются сами величины погрешностей, то окажется, что она составляет обычно  %. Поэтому, в частности, класс точности содержит только одну значащую цифру. В связи с этим производят округление полученной величины погрешности до одной значащей цифры (или до двух, если первая - единица), по известному правилу: если первая из отбрасываемых цифр , то последняя сохраняемая не изменится, если  – увеличивается на единицу. В случае, если первая из отбрасываемых цифр  и является последней, не равной 0, то сохраняемая цифра не меняется, если она четная, и увеличивается на единицу, если она нечетная.

Примеры правильного округления погрешностей:

; ; ;  ;  ;

;   или

Результат измерения округляют по этому же правилу с тем, чтобы его разрядность совпала с разрядностью соответствующей погрешности. Окончательную запись производят, например, в следующем виде:

В,  или  .

Запись измеряемых величин и их погрешности необходимо записывать в одних и тех же системах единиц. Например, запись  некорректна, т.к. измеряемая величина и погрешность записана в разных системах единиц.

В связи с вышеизложенным представляется полезным прикинуть величину погрешности перед проведением измерений. Иначе может оказаться, что измерения нужно проводить заново. Например, вы прочитали по прибору и записали результаты с точностью до десятых долей какой-то единицы измерений, а вам для получения окончательного результата оказались нужны еще и сотые доли. Получение более точных, чем нужно, данных, в свою очередь, сопряжено с повышенными затратами времени.

2.2 Обработка результатов многократных измерений одной и той же величины

Иногда необходимо определить некоторую величину  из результатов ее многократных измерений . В этом случае обычно величину  принимают случайной с нормальным (гауссовым) законом распределения и, в соответствии с законами теории вероятностей, обработку результатов производят следующим образом:

1. Вычисляют .

2. Вычисляют .

3. Если , то полагают, что  с вероятностью 68 %,  с вероятностью 95 %,  с вероятностью  %. Если , то соответствующие вероятности будут несколько меньше, или для получения этих же вероятностей нужно взять несколько большие интервалы. Например, при  вместо  нужно брать , при  – соответственно, . Поэтому  измерений обычно бывает достаточно.

4. Если для какого-то :  или , то результат  объявляется грубой ошибкой (промахом), он отбрасывается, и операции пунктов  производят заново, уже без значения . При этом, естественно,  становится меньше на единицу.

5. Учитывают влияние на результат кроме найденной случайной составляющей погрешности, еще и систематической составляющей. За систематическую  принимают погрешность, определяемую по классу точности для каждого (или максимальную из них). Получают “полную” погрешность (абсолютную) по формуле . Полученную величину  и результат  округляют и записывают в соответствии с правилами пункта 2.1.

2.3 Погрешности косвенных измерений

Часто необходимую величину В определяют методом косвенных измерений, на основании известной функциональной зависимости ее от нескольких других величин , измеряемых непосредственно: . Если найдены величины абсолютных погрешностей  или относительных погрешностей , то можно определить и погрешность величины :

Для некоторых часто встречающихся функциональных зависимостей формулы погрешностей имеют следующий вид:

1.   

2.   

3.   

Часть входящих в формулу для величины  неизвестных может быть измерена заранее или находиться из справочников, или входить в условия проведения работы в виде заданных коэффициентов. В этом случае все коэффициенты должны быть приведены с погрешностями, которые также следует учитывать при подсчете погрешности . Если погрешность какой-то величины не указана, ее можно считать равной половине младшего разряда. Например, 25 В означает на самом деле  В.

Заметим, что если одна из входящих в формулу погрешностей (например, ) в 3 и более раз меньше (или больше) всех остальных, то скорее всего, ее вклад в общий результат можно не учитывать (или не учитывать вклад всех остальных), т.к. полученные величины погрешностей все равно надо округлять по вышеизложенным правилам, как и результат.

Чтобы не потерять точности, все промежуточные вычисления следует проводить с запасом не менее чем в один десятичный разряд.


Литература

  1.  Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1985.
  2.  Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и свызь, 1992.
  3.  Машкова Т.Т., Степанов С.П. Основы радиотехники. М.: Радио и связь, 1992.
  4.  Молчанов А.П., Занадворов П.Н. Курс электротехники и радиоэлектроники. М.: Наука, 1976.
  5.  Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. М.: Высшая школа, 1987.
  6.  Краев Н.П. Сигналы и их спектры. Радиотехнические устройства. Сыктывкар, 1979.


ИП1

ИП2

ИП3

П4

V

mA

V

K2

K1

EMBED Equation.3

Эмиттер

База

Коллектор

R

    Вход Х

    Вход Y

Осциллограф

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55880. Волновая оптика 1.91 MB
  По электромагнитной теории Максвелла свет –- это электромагнитные волны которые в вакууме распространяются со скоростью с = 3108 м с скорость света а в любой другой прозрачной среде их скорость меньше.
55881. Дифракция световых волн 686.5 KB
  Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске Для описания дифракции в ближней зоне дифракция Френеля Френель предложил метод зон метод зон Френеля. Размер зон Френеля Пренебрегая величинами второго порядка малости получим...
55882. Поляризация световых волн 537 KB
  Степенью поляризации называется величина 31 где Imx и Imin – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света пропускаемого поляризатором. Для естественного света Imx=Imin и P = 0 для плоскополяризованного Imin= 0 и P = 1.