ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

Transcript

1 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΙΙ Η ΙΟ ΟΣ 2.1 ίοδοι Εισαγωγή: Αντικείµενο της εργαστηριακής άσκησης είναι η επαφή µε το κυκλωµατικό στοιχείο της διόδου και ο πειραµατισµός µε τα κυκλώµατα που κάνουν χρήση της στην υλοποίηση ενός αριθµού από λειτουργίες. Σε αυτή την άσκηση ο φοιτητής θα εξοικειωθεί µε τις έννοιες της ανόρθωσης και του ψαλιδισµού. Η δίοδος είναι το απλούστερο και το ποιο θεµελιώδες µη γραµµικό κυκλωµατικό στοιχείο. Εµφανίζεται στη δοµή σχεδόν όλων των κυκλωµατικών στοιχείων που υλοποιούνται σε ηµιαγωγούς. Στο Σχήµα 2.1 δίδεται το κυκλωµατικό σύµβολο της διόδου και οι συνδεσµολογίες ορθής και ανάστροφης πόλωσης. Στην ορθή πόλωση ένα µεγάλο ρεύµα I D διαρρέει τη δίοδο η τιµή του οποίου δίδεται από το νόµο επαφής, ενώ στην ανάστροφή πόλωση η δίοδος διαρρέετε από ένα πολύ µικρό ρεύµα, το ανάστροφο ρεύµα κόρου I S, το οποίο σε πολλές εφαρµογές µπορεί να θεωρηθεί αµελητέο. Υπό αυτό το πρίσµα η δίοδος µπορεί να ειδωθεί ως µία βαλβίδα ρεύµατος µονής ροής. i D = I S (e υd ηv T 1) Νόµος Επαφής pn Άνοδος i D + υ D Κάθοδος p n i D p n I S + + υ D Σχήµα 2.1: α) Κυκλωµατικό σύµβολο διόδου, β) ορθή πόλωση και γ) ανάστροφη πόλωση Ο θετικός ακροδέκτης της διόδου ονοµάζεται άνοδος και ο αρνητικός κάθοδος. Στο Σχήµα 2.2 δίδεται η χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατοςτάσης της διόδου (στατική χαρακτηριστική διόδου). ιακρίνονται οι περιοχές ορθής (V D >0) και ανάστροφης (V D <0) πόλωσης καθώς και η περιοχή κατάρρευσης (V D <V Z ). Επίσης στο σχήµα διακρίνεται η τάση αποκοπής V D0 της διόδου για την οποία η δίοδος παύει να άγει όταν (V D <V D0 ) στην ορθή πόλωση. υ D 13

2 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής i D Στατική ΙV Χαρακτηριστική ιόδου Τάση Κατάρρευσης Ορθή Πόλωση Περιοχή Κατάρρευσης Κατάρρευση Συµπιεσµένη Κλίµακα Ανάστροφη Πόλωση ιευρυµένη Κλίµακα V D0 υ D Τάση Αποκοπής Σχήµα 2.2: Στατική χαρακτηριστική διόδου Η δίοδος Ν4148: Στο Σχήµα 2.3 δίδεται η εικόνα της διόδου Ν4148 που θα χρησιµοποιηθεί στην άσκηση. Η πλευρά της καθόδου της διόδου σηµειώνεται µε τη χαρακτηριστική µαύρη λωρίδα. Σχήµα 2.3: Η δίοδος Ν

3 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών 2.2 Σχεδίαση και προσοµοίωση στο PSPICE Ανορθωτής Ηµίσεως Κύµατος (και µε φίλτρο πυκνωτή): Σχεδιάστε τη συνδεσµολογία του ανορθωτή ηµίσεως κύµατος του Σχήµατος 2.4 (χωρίς τη χρήση του πυκνωτή C) στο περιβάλλον σχεδίασης του OrCAD. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V pp και συχνότητας 1ΚHz (στις παραµέτρους της πηγής σήµατος VSIN δώστε FREQ=1KHz, VAMPL=4V και VOFF=0V). καθώς και αντίσταση R=10KΩ. Το σύµβολο της διόδου υπάρχει στην PSPICE βιβλιοθήκη ediode.olb. + ~ C R υ ο Σχήµα 2.4: Ανορθωτής ηµίσεως κύµατος Προσοµοιώστε τη λειτουργία του κυκλώµατος εκτελώντας ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis (χρόνος εκτέλεσης 2ms βήµα 1µs). Κάντε χρήση της βιβλιοθήκης ediode.lib. Α) Απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Ποιος ο χρόνος t αγ. που άγει η δίοδος. Μετρήστε το πλάτος V Ο του σήµατος στην έξοδο. Ποια είναι η τάση αποκοπής V D0 της διόδου. t αγ. = V Ο = V D0 = Β) Τοποθετήστε πυκνωτή C παράλληλα µε την αντίσταση R όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.4. Εκτελέστε ανάλυση στο πεδίο του χρόνου transient analysis όπως νωρίτερα µε τιµές C=100nF και C=300nF. Απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο σε κάθε περίπτωση καθώς και των ρευµάτων µέσα από τη δίοδο Ι(D) και την αντίσταση Ι(R). Ποια η τάση κυµατισµού V r του κυκλώµατος; Ποιος ο χρόνος αγωγής t αγ. της διόδου; C = 100nF V r = V r = t αγ. = t αγ. = C = 300nF 15

4 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής 2.3 Υλοποίηση στο εργαστήριο Ανορθωτής Ηµίσεως Κύµατος: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ανορθωτή ηµίσεως κύµατος του Σχήµατος 2.5 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V pp και συχνότητας 1ΚHz καθώς και αντίσταση R=10KΩ. + ~ R υ ο Σχήµα 2.5: Ανορθωτής ηµίσεως κύµατος Στον παλµογράφο απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Σχεδιάστε τις κυµατοµορφές στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. Μετρήστε το πλάτος V Ο του σήµατος στην έξοδο και υπολογίστε την τάση αποκοπής V D0 της διόδου. V (0, 0) t V Ο = V D0 = 16

5 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Ανορθωτής µε Φίλτρο Πυκνωτή: Υλοποιήστε στο breadboard του εργαστηρίου την συνδεσµολογία του ανορθωτή ηµίσεως κύµατος µε φίλτρο πυκνωτή του Σχήµατος 2.6. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V pp και συχνότητας 1KHz, αντίσταση R=10KΩ και πυκνωτή µε τιµές C=100nF και C=300nF. + ~ C R υ ο Σχήµα 2.6: Ανορθωτής µε φίλτρο πυκνωτή Στον παλµογράφο απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Σχεδιάστε τις κυµατοµορφές στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί για C=300nF. Μετρήστε το διάστηµα αγωγής της διόδου t και την τάση κυµατισµού V r του σήµατος στην έξοδο του ανορθωτή για κάθε µία από τις δύο τιµές του πυκνωτή C. C=300nF V (0, 0) t t = V r = C=100nF t = V r = 17

6 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής Ψαλιδιστής Άνω Κορυφής: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ψαλιδιστή άνω κορυφής του Σχήµατος 2.7 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V pp και συχνότητας 1KHz καθώς και αντίσταση R=10KΩ. R + ~ υ ο Σχήµα 2.7: Ψαλιδιστής άνω κορυφής Στον παλµογράφο απεικονίστε τις κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Σχεδιάστε τις κυµατοµορφές στο πλαίσιο των αξόνων που ακολουθεί. Μετρήστε τη µέγιστη τιµή της τάσης εξόδου. Σχολιάστε την τιµή αυτή σε σχέση και µε τη µέτρηση της τάσης αποκοπής στο 3.1. V (0, 0) t υ Οmax = Σχόλιο: 18

7 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικού & Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών Ψαλιδιστής ιπλής Κορυφής: Υλοποιήστε την συνδεσµολογία του ψαλιδιστή διπλής κορυφής του Σχήµατος 2.8 στο breadboard του εργαστηρίου. Χρησιµοποιήστε πηγή ηµιτονικού σήµατος 8V pp και συχνότητας 1KHz καθώς και αντίσταση R=10KΩ. + ~ R υ ο Σχήµα 2.8: Ψαλιδιστής διπλής κορυφής Στον παλµογράφο απεικονίστε της κυµατοµορφές του σήµατος εισόδου υ s και του σήµατος εξόδου υ ο. Μετρήστε τη µέγιστη τιµή και την ελάχιστη τιµή της τάσης εξόδου. V omax = V omin = Τα όρια αυτά αλλάζουν µε αύξηση του πλάτους του σήµατος εισόδου; Ναι: Όχι: Ποιο είναι το µέγιστο πλάτος του σήµατος εισόδου για το οποίο η έξοδος δεν παραµορφώνει (ψαλιδίζει); V imax = 19

8 Εργαστηριακές Ασκήσεις Βασικών Ηλεκτρονικών Μικροηλεκτρονικής 20