PUSLAIDININKINIŲ PRIETAISŲ TYRIMAS

Transcript

1 laboratorinis darbas PSLAIDININKINIŲ PIETAISŲ TIMAS Darbo tikslas susipažinti su puslaidininkinių diodų, stabilitronų ir švietukų struktūra, veikimo principu, ištirti jų charakteristikas. Teorinės žinios Puslaidininkinį diodą sudaro p-n sandūra. Į vieną medžiagos gabaliuką įterpiama priemaišų taip, kad joje susidarytų elektroninis laidumas (n tipo laidumas), o kitame skylinis laidumas (p tipo laidumas). Kiekvienoje iš šių medžiagų yra daug (apie 0 6 cm - ) pagrindinių krūvininkų ir daug mažiau (apie 0 0 cm - ) šalutinių. Šie gabaliukai suglaudžiami, prasideda difuzijos procesas. Iš n-tipo puslaidininkio elektronai keliauja į p-tipo puslaidininkio sritį, o iš p-tipo į n-tipo puslaidininkį skylutes. Tarp šių sričių, susidaro pereinamoji zona, vadinama p-n sandūra (. pav., a). Sandūroje vyksta sudėtingi fizikiniai procesai, kurie išsamiau yra nagrinėjami fizikos kurse. Toliau susipažinsime tik su kai kuriomis p-n sandūros savybėmis, kuriomis yra pagrįstas puslaidininkinių elektronikos elementų veikimas. Sandūroje (. pav., b) vienokio laidumo srities krūvininkų tankis palaipsniui mažėja, pereinant į kitokio laidumo puslaidininkio sritį, kur prilygsta šalutinių krūvininkų tankiui. Abiejų sričių krūvininkai difunduoja į priešingo laidumo sritis, todėl sandūroje vyksta rekombinacija krūvininkai neutralizuojasi. Dėl to pačioje sandūroje lieka donoriniai ir akceptoriniai jonai, kurie sudaro sandūroje erdvinį krūvį. Dėl erdvinių krūvių potencialų skirtumo sandūroje susidaro vidinis elektrinis laukas ε i bei potencialinis barjeras. Potencialinis barjeras V 0 neleidžia skylėms toliau difunduoti į n sritį. Tam, kad skylė galėtų įveikti potencialinį barjerą, reikia, kad išorinis energijos šaltinis jai suteiktų papildomą energiją. Tokio pat didumo, tik priešingo ženklo potencialinis barjeras E 0 neleidžia elektronams savaime judėti į p sritį. Prijungus prie n srities neigiamą, o prie p srities teigiamą potencialą (. pav., a), krūvininkai, veikiami išorinio elektrinio lauko, juda sandūros kryptimi, ir įgiję papildomą kinetinę energiją (kai E > E 0 ), įveikia potencialinį barjerą. Tam reikia, kad kristalinio silicio sandūros įtampa būtų ne mažesnė kaip 0,6 V, o germanio kaip 0, V. Šios krypties srovė ir įtampa yra vadinamos tiesioginėmis ir žymimos I F ir F. Prijungus prie n srities teigiamą potencialą (. pav., b), o prie p srities neigiamą, sandūroje atsiranda daugiau donorinių ir akceptorinių jonų, sustiprėja vidinis elektrinis laukas. Tai tolygu dirbtiniam potencialinio barjero padidinimui. Pagrindiniai krūvininkai tik pasislenka išorinių elektrodų kryptimi, todėl sandūros zona prasiplečia, sandūra pastorėja. Šalutiniai. pav. Puslaidininkinio kristalo p-n sandūra (a); krūvininkų tankio pasiskirstymas (b); jonų skaičius (c); elektrinio lauko stiprumas (d); potencialinis barjeras skylei (e) ir elektronui (f) krūvininkai juda link priešingo poliarumo elektrodų. Kadangi šalutinių krūvininkų yra labai mažai, tai ir jų srovė taip pat yra labai silpna. Šios krypties srovė ir įtampa yra vadinamos atgalinėmis ir žymimos I ir. p-n sandūros voltamperinė charakteristika. ealios p-n sandūros voltamperinė charakteristika pateikta. pav.paveiksle. Didinant tiesioginę įtampą F, srovė neteka, kol ši įtampa yra mažesnė už p-n sandūros potencialinį barjerą V 0. Kai įtampa F pasidaro lygi V 0, pradeda tekėti srovė I F, kuri pradžioje netiesiškai, o vėliau tiesiškai priklauso nuo tiesioginės įtampos F.

2 . pav. Krūvininkų judėjimas: tiesiogine kryptimi (a) ir atgaline kryptimi (b) A C D I F I F. pav. p-n sandūros voltamperinė charakteristika Didinant atgalinę įtampą, atgalinė srovė I pradžioje labai priklauso nuo didumo, bet ji yra palyginti maža, nes šalutinių krūvininkų yra nedaug. Toliau didinant įtampą (iki taško A) atgalinė srovė I beveik nedidėja. Tai vadinamoji atgalinė soties srovė. Dar padidinus atgalinę įtampą iki vertės, prasideda p-n sandūros elektrinis pramušimas (. pav. charakteristikos dalis C). Jam būdinga tai, kad sandūros labai sumažėja, todėl net ir dėl nedidelio atgalinės įtampos prieaugio atgalinė srovė labai padidėja. Nors elektrinio pramušimo sąlygomis atgalinė srovė yra stipresnė už normalaus režimo leistiną atgalinę srovę, p-n sandūroje neįvyksta jokių puslaidininkio struktūrinių pakitimų. Jei atgalinė srovė tiek sustiprėtų, kad taptų didesnė už elektrinio pramušimo srovę (charakteristikos dalis C D), p-n sandūra neleistinai įšiltų, ir puslaidininkyje įvyktų struktūriniai pakitimai. Tai vadinamasis šiluminis pramušimas, po kurio puslaidininkinis elementas jau pasidaro netinkamas vartoti. Lyginimo diodai. Elementas, kuriame yra viena p-n sandūra ir kuris turi du išvadus, vadinamas puslaidininkiniu diodu. Jie yra naudojami įvairiuose lygintuvuose kintamajai srovei paversti nuolatine. Dažniausiai naudojami silicio ir germanio diodai. Esant vienodoms įtampoms, germanio diodo ir tiesioginė, ir atgalinė srovės yra didesnės. Tai reiškia, kad jo tiesioginė ir atgalinė varžos yra mažesnės už silicio diodo. Dėl to tiesioginės įtampos kritimas germanio diode yra palyginti nedidelis (Ge 0,6 V, Si apie,0 V), bet jam būdingos didesnės nei silicio diodo atgalinės srovės. Tekant srovei diodu, dėl jo varžos išsiskiria tam tikras šilumos kiekis diodas kaista. Kuo stipresnė tiesioginė srovė ir kuo didesnis tiesioginės įtampos kritimas, tuo didesni nuostoliai diode. Todėl yra ribojamas diodo srovės tankis, kuris p-n sandūros plote neturi būti didesnis kaip 0 A/mm (priklausomai nuo aušinimo sąlygų). Diodo temperatūra turi būti ne didesnė už leistiną: germanio diodams 75 o C, silicio 75 o C. Kadangi šilumos kiekis priklauso ne tik nuo įtampos kritimo diode ir juo tekančios srovės, bet ir nuo jos tekėjimo laiko, tai trumpą laiką yra leistinos gana stiprios srovės. Tai yra gera diodų savybė, nes praktikoje pasitaiko įvairių trumpalaikių avarinių režimų, nuo kurių diodus sunku apsaugoti. Diodų srovės gali būti kartų didesnės už vardines, jei trunka ne ilgiau kaip 0, s. Ilgą laiką diodų perkrauti negalima, nes, pakilus temperatūrai, suardoma jų puslaidininkinė struktūra. Norint to išvengti, diodus reikia aušinti. Prie jų korpuso pritvirtinami įvairių konstrukcijų radiatoriai, kurie sklaido šilumą natūralios konvekcijos būdu, arba apipučiant juos oru, arba praleidžiant jais aušinantįjį skystį. Labai svarbi lyginimo diodų charakteristika yra leistinoji atgalinė įtampa maks. Tai didžiausia atgalinė įtampa, kurią pasiekus diodas dar elektriškai nepramušamas. Viršijus šią įtampą p-n sandūra pramušama ir diodas netinkamas tolesniam vartojimui. Paprastai nurodoma diodo atgalinė soties srovė, o jei diodai skirti didesnio dažnio srovėms, ir elektrinė talpa. Šiuolaikiniai lyginimo diodai yra gaminami labai dideliam tiesioginių srovių ir atgalinių įtampų diapazonui. Pagal tiesioginę srovę diodai skirstomi į silpnų (iki 0, A), vidutinių (nuo 0, iki 0 A) ir stiprių srovių (daugiau kaip 0 A). Jie yra gaminami iki 000 V atgalinei įtampai. Specialiosios paskirties diodai. Tai tokie puslaidininkiniai diodai, kuriuose p-n sandūros ypatybės taikomos kokiam nors specialiam efektui sukelti. Tai stabilitronai, fotodiodai, šviestukai ir kai kurie kiti.

3 .4 pav. Stabilitrono įjungimo schema Z ΔZ I Z ZD ΔI Z Z I Zmax I F.5 pav. Stabilitrono voltamperinė charakteristika I F I Zmin Puslaidininkinis stabilitronas (zener diode) tai diodas, kuris naudojamas įtampai stabilizuoti, kai juo tekanti srovė kinta tam tikrose ribose. Diodas dirba elektrinio pramušimo režimu (.4 pav.), t. y., įjungiamas taip, kad jo p-n sandūroje įvyktų elektrinis pramušimas ir tekėtų atgalinė srovė (.5 pav.). Srovei kintant nuo I zmin iki I zmaks stabilizuojamoji įtampa z beveik nekinta. Tam, kad neįvyktų šiluminis pramušimas, specialiai pagerinamas diodo sandūros aušinimas. Išleidžiamais stabilitronais galima stabilizuoti įtampas nuo,6 iki 000 V; jais gali tekėti srovė nuo 0,00 iki A. Šviestukas tai puslaidininkinis diodas, kuriame rekombinuojant krūvininkams išlaisvinama energija ir išspinduliuojami šviesos kvantai. Šis diodas korpuse taip pat turi langelį, per kurį šviesa iš p-n sandūros išspinduliuojama į aplinką. Kadangi šviestukai yra taikomi signalizacijai bei informacijos indikacijai, tai paprastai nurodomas jų skleidžiamos šviesos spektras (spektrinė charakteristika) ir skaistis. Dvipolis tranzistorius. Tai trijų sluoksnių puslaidininkinis tranzistorius, kuriame yra dvi p-n sandūros. Dvipoliai tranzistoriai gali būti sudaryti iš n-p-n arba p-n-p tvarka išdėstytų puslaidininkių (.6 pav.). Abiejų tipų tranzistorių veikimo principas ir savybės yra tokios pat, bet prie jų vienvardžių elektrodų yra prijungiami priešingo poliarumo potencialai ir srovės jais teka priešingomis kryptimis. Dvipolio tranzistoriaus vidurinis sluoksnis yra vadinamas baze () ir turi mažai krūvininkų (mažai legiruotas). azė yra labai plona: apie 00 µm pavieniuose ir apie 0, µm integrinių mikroschemų tranzistoriuose. Vienas iš gretimų bazei sluoksnių turi daug krūvininkų (gausiai legiruotas), todėl pažymėtas n + arba p + ženklu. Jis gali skleisti (emituoti) krūvininkus į bazę, todėl vadinamas emiteriu (E). Iš kitos bazės pusės esantis sluoksnis, vadinamas kolektoriumi (C), turi vidutinį krūvininkų tankį. Tarp gretimų sluoksnių susidaro dvi p-n sandūros emiterio-bazės ir bazės-kolektoriaus. Veikimo principui paaiškinti pasirinksime n-p-n tipo tranzistorių (.6 pav.). Tokio tipo tranzistoriaus pagrindiniai krūvininkai yra elektronai, kurių yra gausu emiteryje E. Tarp emiterio E ir bazės prijungiama įtampa E, o tarp kolektoriaus C ir bazės įtampa C. Tarp bazės ir emiterio E sudaromas teigiamas potencialų skirtumas. Įtampa E yra tiesioginė sandūros E įtampa, todėl ši sandūra yra atvira ir iš emiterio į bazę pradeda judėti pagrindiniai krūvininkai elektronai. Dalis jų rekombinuoja su bazės skylėmis, kurių koncentracija yra nedidelė, sudarydami nedidelę bazės srovę I. Jeigu atskirai pažiūrėsime į bazės-emiterio sandūrą, tai ji bus uždara pagrindiniams bazės krūvininkams skylėms, tačiau atvira iš emiterio į bazę difundavusiems elektronams. Kadangi bazės sluoksnis yra labai plonas, todėl didžioji dalis elektronų pasiekia C sandūrą ir dreifuoja per ją, o įtampa C > 0 ir yra gana didelė ( C >> E ), tai elektrinio lauko veikiami elektronai juda į kolektorių C, t. y. teka kolektoriaus srovė I C. Pagal I Kirchhofo dėsnį: I E = I + I C. Dėl plonos ir mažai priemaišų turinčios bazės, I << I C, apytiksliai galime laikyti, kad I E = I C. Kuo daugiau krūvininkų patenka iš emiterio į bazę, tuo stipresnė bazės srovė I, ir tuo stipresnė kolektoriaus srovė I C. Tuo būdu kolektoriaus srovė I C yra valdoma bazės srove I. Tranzistorių savybes atspindi jo įėjimo charakteristikos I = f( ) C = const ir išėjimo I C = f( C ) IE = const (.6 pav.), o jų skaitines vertes parametrai. Elektronikoje ir automatikoje plačiai yra naudojama tranzistorių h-parametrų sistema. Parametrai yra nustatomi iš tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo charakteristikų šeimų. Praktikoje yra naudojamos trys tranzistoriaus jungimo schemos bendrosios bazės (), bendrojo emiterio (E) ir bendrojo kolektoriaus (K). Plačiausia yra naudojamas E jungimas. endrojo emiterio schemose dvipolio tranzistoriaus h E parametrai išreiškiami lygtimis:

4 h E h E h h E E = I = I = I C I = = const C I = const = const C c c C I = const Δ ΔI Δ Δ ΔI ΔI ΔI Δ = const C = const C c ; ; C I = const c ; ; C I = const (.) čia h E tranzistoriaus įėjimo varža, sudaranti šimtus omų; h E įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas, jo reikšmė būna 4 0 ; h E srovės stiprinimo koeficientas, kuris pavieniams tranzistoriams gali būti nuo 0 iki 500, o mikroschemose net iki 5000 (superbeta tranzistoriai); h E išėjimo laidumas, arba dažniau naudojama tranzistoriaus išėjimo varža ( iš =/h E ) sudaro kelis kiloomus. I E A C C D C > C I C M K L N P I I a C.6 pav. Tranzistorių įėjimo (a) ir išėjimo (b) charakteristikos b Tranzistoriaus h E parametrus galima nustatyti naudojantis įėjimo ir išėjimo charakteristikomis. Jei turime ne mažiau kaip dvi įėjimo ir išėjimo charakteristikas, tai pasirinkę darbo tašką įėjimo (.6 pav. taškas A) randame CD A he = ; he = ; (.) DE kur CD atkarpa charakteristikoje išreikšta voltais; DE atkarpa charakteristikoje išreikšta amperais; A atkarpa charakteristikoje išreikšta voltais, ir išėjimo (.6 pav. taškas K), rasime, kad: C C KL NP h E = ; he = ; (.) I I MP kur KL atkarpa charakteristikoje išreikšta voltais; NP atkarpa charakteristikoje išreikšta amperais; MP atkarpa charakteristikoje išreikšta voltais, Kiekvienam tranzistorių tipui žinynuose nurodomi h E parametrai, taip pat didžiausia leistina kolektoriaus srovė I Cmaks, didžiausia išėjimo galia P Cmaks = Cmaks I Cmaks ir kiti parametrai. 4

5 laboratorinis darbas LOGINIŲ ELEMENTŲ TIMAS Darbo tikslas susipažinti su skaitmeninėmis schemomis, loginiais elementais ir jų veikimo principu, ištirti įvairių loginių elementų darbą. Teorinės žinios Loginių arba skaitmeninių elementų įėjimo ir išėjimo signalai tai užduotų dviejų lygių įtampos loginio ( log. ) ir loginio 0 ( log.0 ) signalai. Paplitusių pasaulyje TTL serijų (74LS, 74ALS ir t. t.) schemų loginio įtampa yra,4 V, o loginio 0 įtampa yra 0,4 V. Kitų serijų loginių elementų log. ir log.0 įtampos gali būti kitokios (pvz., labai plačiai vartojamų, dėl mažų energijos sąnaudų MOP serijų pvz., 4000, 74AC, 74HC) log.0 įtampa yra 0 V, o log. įtampa yra lygi E, kur E =...8 V loginio elemento maitinimo įtampa. Loginiai elementai atlieka logines operacijas su signalais tenkinančiais šių loginių lygių reikalavimus. Skiriami šie loginiai elementai: I, AA, NE, Išskirtinis AA, I NE, AA NE ir t.t. Loginių elementų ir iš jų sudarytų kitų loginių schemų atliekamas funkcijas vienareikšmiškai aprašo jų reikšmių lentelės, kuriose nurodomos elemento išėjimo būsenos prie visų įėjimo signalų kombinacijų. Loginį elementą charakterizuoja eilė parametrų: statiniai log. ir "log.0 įtampų vertės, loginio elemento persijungimo (relės įsijungimo) įtampos vertės, elemento suvartojama galia ir t.t.; dinaminiai persijungimo iš log.0" į "log. ir atgal laikas, vėlinimo tarp log.0" ar "log. padavimo į elemento įėjimą ir jo reakcijos išėjime laikas ir kt. Pagal šių parametrų vertes parenkami tinkami elementai konkrečiai schemai. Loginiai elementai gali būti pagaminti vartojant įvairius elektronikos įtaisus ir įvairias gamybos technologijas. Elemento vidinė realizacija ar jo gamybos technologija, dažniausia vartotojo nedomina. Jį domina elemento atliekamos funkcijos, log. ir log.0 signalų lygiai, elementų veikimo sparta, suvartojama galia. Aiškintis loginių elementų veikimą lengviausia, naudojant jų relines realizacijas. Loginis elementas I Šis elementas atlieka loginės daugybos funkciją. Daugybos funkcijos reikšmės pateiktos 4. lentelėje. Lentelėje pateiktos įėjimo funkcijų ir, bei išėjimo funkcijos būsenos. 4. pav. parodytas sąlyginis dviejų įėjimų loginio elemento I žymėjimas schemose (a) ir jo relinė realizacija (b). Loginio elemento I veikimą paaiškinkime jo relinės schemos pagalba. Priimame, kad "log. įėjimo įtampos, sukuria srovę tekančią ir relių apvijomis, tada relių sujungiantieji kontaktai įsijungia. Kada ir signalai lygūs 0 ( log.0 ), srovė per reles neteka ir abu kontaktai yra atjungti. Įtampa iš šaltinio E į išėjimą nepatenka (išėjime log.0 ). Padavus "log." įtampą tik į arba tik į įėjimą, maitinimo įtampa E taip pat nepateks į elemento išėjimą. Įtampa bus lygi 0 ( log. 0"). Tik padavus "log." įtampas į abu įėjimus ( ir ), abiejų relių kontaktai susijungia ir maitinimo įtampa per sujungtus relių kontaktus pateks į išėjimą = E ("log."). Elementai I gali turėti, ir daugiau įėjimų. Integriniuose loginiuose grandynuose relių ir jų kontaktų funkcijas atlieka persijungiantys nekontaktiniai puslaidininkiniai įtaisai (diodai, tranzistoriai). Loginis elementas AA Loginis elementas AA atlieka loginės sudėties funkciją. Dviejų įėjimų elemento AA grafinis žymuo ir jo relinė realizacija pateikti 4. pav., o 4. lentelėje elemento reikšmių lentelė. Kada loginiame elemente AA ir signalai lygūs log.0 (4. pav., b), srovė per relių apvijas neteka ir abu sujungiantieji kontaktai yra atjungtoje padėtyje. Įtampa iš šaltinio E į išėjimą nepatenka (išėjime log.0 ). Padavus įtampą log. į nors vieną iš schemos įėjimų ( arba ) arba į abu įėjimus kartu, +E 4. pav. Loginio elemento I grafinis žymuo (a) ir jo relinė schema (b) a) b) 4. lentelė

6 susijungia bent vienas iš relių kontaktų ir elemento išėjime gaunamas log. signalas. Tai ir atitinka loginį sumavimą (4. lentelė). Loginis elementas NE Tai loginis neigimas, kurio reikšmių lentelė pateikta 4. lentelėje, sąlyginis pažymėjimas ir relinis realizacijos variantas 4. pav. Kai į elemento įėjimą (4. pav., b) paduotas log.0 lygis, maitinimo įtampa per atsijungiantį relės kontaktą patenka į elemento išėjimą, jame - log. lygis. Kai į įėjimą paduodamas log. lygis, relė įsijungia, normaliai sujungti jos kontaktai atsijungia ir išėjime turime signalą log.0. Turime loginę inversiją. Šiems loginiams elementams priklauso ir Šmito trigeriai. Tai elementai dažniausia vykdantys NE funkciją. Jų išskirtinė savybė tame, kad jie persijungia iš log.0 būsenos į log. esant vieno dydžio įėjimo įtampai, o grįžta iš log. į log.0 būseną prie kitos įtampos. ra sakoma, kad Šmito trigeriai turi persijungimo histerezę. Šie elementai yra naudojami, kai reikia apsaugoti elektrinę grandinę nuo žymių trukdžių. +E pav. Loginio elemento AA grafinis žymuo (a) ir jo relinė schema (b) a) b) 4. lentelė 4. lentelė 4. pav. Loginio elemento NE grafinis žymuo (a) ir jo relinė schema (b) Loginis elementas I NE Tai sudėtinis loginis elementas. 4.4 pav. pateiktas jo grafinis žymuo ir atitikmenys, o 4.4 lentelėje pateikta jo reikšmių lentelė. Iš 4.4 pav. c) ir reikšmių lentelės, matyti, kad tuo atveju, kai abu įėjimo signalai ( ir ) arba vienas jų yra log., yra sujungtas bent vienas normaliai sujungtų kontaktų (relių, ar abiejų) ir maitinimo įtampa E patenka į išėjimą, išėjime turime signalą log.. Tuo atveju kai ir yra log., abiejų relių kontaktai atjungti ir išėjime turime log.0. a) ' 4.4 lentelė E Loginis elementas AA NE Šis elementas yra taip pat sudėtinis loginis elementas. 4.5 lentelėje pateikta jo reikšmių lentelė, 4.5 pav. jo grafinis žymuo (a), gavimo būdas, naudojant elementus AA bei NE (b), o taip pat relinis realizacijos variantas (c). Iš 4.5 pav. c) ir reikšmių lentelės, matyti, kad tuo atveju, kai abu įėjimo signalai ( ir ) yra log., yra sujungti abu atjungiantieji kontaktai (relių, ) ir maitinimo įtampa E patenka į išėjimą. Tuo būdu išėjime turime signalą log.. Tuo atveju kai arba arba abu yra log., vienos arba abiejų relių kontaktai atjungti ir išėjime turime log.0. Pilnasis loginių elementų rinkinys Pilnasis loginių elementų rinkinys tai mažiausias loginių elementų, atliekančių skirtingas logines funkcijas, skaičius iš kurių galima sudaryti bet kokią, kiek norint sudėtingą, loginę schemą. ra du pilni loginių elementų rinkiniai: a) rinkinys, kurį sudaro I NE elementai bei b) rinkinys, b) c) 4.4 pav. Loginio elemento I NE grafinis žymuo (a), jo realizacija naudojant elementus I bei NE (b) ir jo relinė schema (c) ' a) +E 4.5 lentelė pav. Loginio elemento AA NE grafinis žymuo (a), jo realizacija naudojant elementus AA bei NE (b) ir jo relinė schema (c) b) c) 6

7 kurį sudaro AA NE elementai. Kaip iš pilno loginių elementų rinkinio I NE sudaromos įvairias logines funkcijas realizuojančios schemos, parodyta 4.6 paveiksle. Funkciją NE realizuoja du variantai. Pirmame signalas paduodamas į abu elemento įėjimus, todėl išėjime gaunamas inversinis išėjimo signalas. Antrame variante viename įėjime palaikomas log., todėl išėjime taip pat realizuojama funkcija NE. Kaip realizuojama funkcija I parodyta 4.6 pav., c. Signalą I NE dar vieną kartą invertavus, gaunama funkcija I (dvi funkcijos NE viena kitą naikina). 4.6 pav. d parodyta kaip realizuojama funkcija AA. 4.6 lentelėje parodytos įėjimo signalų log.0 ir log. galimos būsenos, jų tarpinės ir išėjimo būsenos rodo, kad išėjime turėsime signalus atitinkančius AA funkciją (t.p. žr. 4. lentelę). Išskirtinis AA Loginis elementas išskirtinis AA dar vadinamas pusiau sumatoriumi, arba "sumatoriumi mod.". Šio elemento grafinis žymuo ir realizacija naudojant pilną rinkinį I NE pateiktas 4.7 pav., o 4.7 lentelėje jo reikšmių lentelė. Paveiksle parodyti įėjimo signalų log.0 ir log. galimos būsenos, jų tarpinės ir išėjimo būsenos rodo, kad išėjime turėsime signalus atitinkančius Išskirtinis AA funkciją (žiūr. 4.7 lentelę). Kaip matyti šis elementas atlieka dvejetainės skilties sumavimo funkciją: 0+0=0, +0=, 0+=, +=0 (ir turėtų būti pernešamas į kitą skiltį, kas pusiau sumatoriuje nedaroma). Šis elementas yra viena iš svarbiausių mikroprocesoriaus aritmetinio loginio įrenginio schemų. 4.6 pav. Kitų funkcijų sudarymas iš pilno loginių elementų I NE rinkinio: a, b elemento NE, c elemento I, d elemento AA 4.6 lentelė 4.7 lentelė +E = a) b) 0,,0, 0,0,,,,,0 0,,0, 0,0,, pav. Elemento Išskirtinis AA grafinis žymuo ir loginė schema vykdanti šią funkciją c) d),0,,,,0, 0,,,0 Loginių schemų modulyje KL-00 yra naudojamos JAV priimtos loginių elementų žymos (4.8 pav.). A A A A I-NE AA-NE Šmito trigeris Išskirtinis AA 4.8 pav. Modulyje KL-00 naudojami sutartiniai elementų žymėjimai laboratorinis darbas 7

8 VIENFAZIO SOVĖS LGINTVO TIMAS Darbo tikslas praktiškai susipažinti su įvairiomis lygintuvo struktūromis, ištirti vienpusio ir dvipusio lyginimo lygintuvus, jų filtrus, nustatyti lygintuvo charakteristikas. Teorinės žinios Lygintuvų paskirtis išlyginti kintamąją srovę, t. y. paversti ją nuolatine. endruoju atveju visą lygintuvo struktūrą galima atvaizduoti. paveiksle parodyta schema. Kai kuriuose lygintuvuose gali nebūti vieno ar kito mazgo, pvz., transformatoriaus, filtro, stabilizatoriaus ar pan. Transformatorius (. pav. ) skirtas lyginamos įtampos vertei suderinti su reikalinga išlygintos įtampos verte. Jei jos atitinka transformatorius nereikalingas. Svarbiausias lygintuvo mazgas () diodinė sistema sudaroma iš lyginimo elementų diodų. Jų varža tiesiogine kryptimi yra maža, o atgaline didelė. Dėl to viena kryptimi jie praleidžia srovę, o priešinga ne. Filtras () sumažina išlygintos srovės (įtampos) pulsacijas. Jeigu įtampos pulsacijos leistinos (pvz., maitinant variklį), filtro gali ir nebūti. Įtampos stabilizatorius (4) skirtas palaikyti pastovaus didumo išlygintai įtampai, kai kinta apkrovos srovės arba maitinimo įtampos didumas. Lygintuvo apkrova (5) yra imtuvas, kurį turi maitinti lygintuvas ir kurio savybės diktuoja reikalavimus visam lygintuvo kompleksui.. pav. endroji lygintuvo struktūrinė schema: transformatorius, ventilis, filtras, 4 įtampos stabilizatorius, 5 apkrova Svarbiausiais lygintuvų parametrais laikomi šie dydžiai: 8

9 ) vidutinė išlyginta įtampa 0 ir srovė I 0. ) pulsacijų koeficientas m k p =. (.) 0 ) vidutinė tiesioginė diodu tekanti srovė I F ir didžiausia atgalinė diodui tenkanti įtampa. Pats paprasčiausias yra vienfazis vienpusis lygintuvas. Jį sudaro transformatorius ir vienas diodas VD, kuris su apkrova L sujungtas nuosekliai (. pav.). Transformatoriaus antrinė įtampa u kinta sinuso dėsniu. Pirmajame pusperiodyje, kai įtampos u poliarumas yra toks, kad diodui VD tenka tiesioginė įtampa, grandine teka srovė i, ir ant apkrovos varžos L turime įtampą u. Antrojo pusperiodžio metu diodas yra nelaidus (jam tenka atbulinė įtampa) ir srovė grandine neteka. Išlygintos įtampos vidutinė vertė 0 = udt = 0,45. (.) T Vienpusio lyginimo lygintuvo pulsacijos koeficientas (be filtro) k, 57. Didžiausia diodui tenkanti atgalinė įtampa =. m p. pav. Vienfazio vienpusio lygintuvo grandinė (a), įėjimo įtampa u (b), išėjimo įtampa u ir srovė i (c) Dėl didelės pulsacijos ir mažo tinklo išnaudojimo koeficiento, vienfaziai vienpusio lyginimo lygintuvai praktikoje naudojami retai. Žymiai dažniau naudojami dvipusio lyginimo lygintuvai. Viena tokio lygintuvo grandinė atvaizduota. pav. Šiame lygintuve srovę išlygina keturi diodai VD, VD, VD, VD4 sujungti tilteliu. Dėl to šis lygintuvas vadinamas tilteliniu lygintuvu. 9

10 Įtampa u kinta sinuso dėsniu. Pirmame pusperiodyje srovė teka diodu VD, apkrova L ir diodu VD (srovės kelias grandinėje parodytas ištisine linija), kitą pusperiodį diodu VD, apkrova L ir diodu VD4 (srovės kelias grandinėje parodytas punktyru). Srovės i kryptis apkrovos varžoje L tiek vienu, tiek kitu atveju išlieka ta pati. Taigi ant apkrovos turime nuolatinę įtampą u. Dvipusio lyginimo lygintuvų vidutinė išlyginta įtampa ir srovė yra dvigubai didesnė nei vienpusio lyginimo lygintuvo: 0 = m I = 0,9 ; I0 = m. (.) π π Dvipusio lyginimo lygintuvo pulsacijos koeficientas (be filtro) k = p. pav. Dvipusio tiltelinio lygintuvo grandinė (a), transformatoriaus antrinė įtampa (b), išlyginta srovė i ir įtampa u (c) Išėjimo įtampa pulsuoja, svyruodama apie vidutinę vertę 0. Jai sumažinti naudojami įvairūs filtrai, kurie sudaromi iš talpinių ir induktyviųjų elementų kondensatorių ir ričių. Talpinis filtras prijungiamas prie lygintuvo išėjimo gnybtų lygiagrečiai apkrovai (.4 pav. a). Išlygintai įtampai didėjant, kondensatorius įsikrauna iki jos amplitudinės vertės (.4 pav. b). Įtampai pradėjus mažėti, kondensatorius išsikrauna per apkrovą. Kuo didesnė apkrovos varža, tuo ilgiau trunka pereinamasis procesas. Kuo kondensatorius išsikrauna lėčiau, tuo tampa mažesnė išlygintos įtampos pulsacija. Dėl to talpinis filtras yra tuo efektyvesnis, kuo apkrovos varža didesnė, t. y., kuo lygintuvo apkrova (srovė) mažesnė. Induktyvųjį filtrą sudaro induktyvumo ritė (gali būti su uždaru magnetolaidžiu ar droselis), įjungta nuosekliai su apkrova (.4 pav. c). Kintant rite ir apkrova tekančiai srovei i, ritėje indukuojama saviindukcijos elektrovara 0

11 di e L = L. (.4) dt Ši elektrovara priešinasi srovės kitimui. Kuo didesnė išlyginta srovė ir kuo ji sparčiau kinta, tuo induktyvusis filtras yra efektyvesnis. Todėl jis naudotinas, kai apkrovos srovės yra didelės. Filtro kokybė proporcinga filtracijos koeficientui k p k f = ; (.5) k p čia k p ir k p lygintuvo be filtro ir lygintuvo su filtru pulsacijos koeficientai. Praktikoje plačiai naudojami efektyvesni filtrai, kurie sudaromi iš keleto talpinių ir induktyviųjų elementų. Dažniausia sudaromos LC bei CLC tipo filtrų grandinės (.4 pav. d ir e). Prijungus filtrą pasikeičia lygintuvo išorinė charakteristika išlygintos išėjimo įtampos priklausomybė nuo apkrovos srovės (.5 pav.)..4 pav. Elektriniai filtrai: a C tipo; b vienpusio lyginimo lygintuvo išlygintos įtampos kreivės, kai filtro nėra () ir kai yra C filtras, esant įvairiam apkrovos varžos didumui (,, 4); c L; d LC; e CLC tipo filtrai Didinant apkrovą, lygintuvo be filtro išėjimo įtampos vidutinė vertė 0 šiek tiek mažėja, nes didėjant srovei auga įtampos kritimas transformatoriaus apvijose bei dioduose. Prijungus talpinį filtrą, vidutinė išėjimo įtampos vertė 0 yra didesnė, kai lygintuvas mažiau apkrautas, nes filtras sumažina pulsacijų dydį, o įtampos vidutinė vertė padidėja. Didinant apkrovą pulsacija didėja, todėl 0 mažėja labiau. Kai prijungtas

12 induktyvusis filtras, išorinė lygintuvo charakteristika gali būti įvairi, priklausomai nuo filtro parametrų. Didinant apkrovos srovę įtampa dažniausiai mažėja. Kai filtro elementai induktyvieji ir.5 pav. Lygintuvo be filtro ir su C bei L filtrais išorinės charakteristikos talpiniai, jų parametrai parenkami taip, kad didesnę įtaką turėtų talpiniai elementai. ealių lygintuvų išėjimo įtampa šiek tiek mažėja didinant jų apkrovą. Kai išėjimo įtampos kokybei taikomi griežti reikalavimai, šį mažėjimą sumažina įjungti įtampos stabilizatoriai.

13 4 laboratorinis darbas OPEACINIO STIPINTVO TIMAS Darbo tikslas - susipažinti su operacinių stiprintuvų struktūra, veikimo principu, naudojamomis schemomis, ištirti jų darbą. Teorinės žinios Operaciniai stiprintuvai buvo sukurti naudojimui analoginėse skaičiavimo mašinose. Jie vykdė tipinio matematinio stiprinimo bloko, turinčio be galo didelį įtampos stiprinimo koeficientą, begalinę įėjimo varžą ir pastovų stiprinimo koeficientą visame signalų dažnių diapazone, funkcijas. Šio bloko pagalba buvo gaunami ir kiti analoginių skaičiavimo mašinų tipiniai blokai, pav., sumavimo, integravimo, diferencijavimo ir pan. ealūs stiprintuvai turėjo baigtinius parametrų dydžius, bet pilnai galėjo vykdyti jiems iškeltas funkcijas. Tobulėjant technologijoms, o ypač mikroelektronikos gamybos technologijoms, operaciniai stiprintuvai buvo pradėti gaminti integrinių grandynų pavidalu. Pasirodė, kad tokie operaciniai stiprintuvai yra labai patogūs naudoti automatikos, elektronikos ir kituose įtaisuose, nes yra labai patikimi, turi gerus ir stabilius elektrinius parametrus, mažus gabaritus, jų vartojama galia maža ir t.t. Operacinis stiprintuvas įprastai turi du įėjimus (. pav.) tiesioginį (Vin+) ir inversinį (Vin ), vieną (Vout) arba du išėjimus, maitinimo įtampų prijungimo (dažniausiai dviejų teigiamos (Vcc) ir neigiamos (V EE ) maitinimo įtampų) gnybtus, korpuso gnybtą bei gali turėti keletą papildomų gnybtų: stiprintuvo įėjimų balansavimo (Pin), korekcijos (apsaugos nuo savaiminio stiprintuvo susižadinimo) ir kt. ra naudojama keletas tipinių operacinių stiprintuvų įjungimo schemų, leidžiančių juos naudoti reikiamų tipinių užduočių (stiprinimo, stiprinimo su inversija, signalų sumavimo ir. pav. Operacinio stiprintuvo ΗΑ774 schema pan.) vykdymui.. pav. parodyta keletas tipinių operacinio stiprintuvo jungimo būdų, leidžiančių atlikti tiriamojo signalo stiprinimą. eikiamas stiprintuvo su signalo inversija (. a pav.) stiprinimo koeficientas yra nustatomas parenkant vieną iš varžų ( arba ) ir paskaičiuojant kito varžo dydį čia, stiprintuvo varžos, o jo stiprinimo koeficientas =, = K, (.) K K =, (.) Analogiškai randamas ir stiprintuvo, stiprinančio signalą be inversijos (. b pav.), stiprinimo koeficientas

14 u IŠ u IŠ 7 7 a) b) u IŠ u IŠ c) d). pav. Operacinių stiprintuvų jungimo schemos: a stiprintuvo su signalo inversija; b stiprintuvo be signalo inversijos; c dviejų signalų sumatoriaus; d dviejų signalų atėmimo schemos K = +. (.) Stiprintuvo sumuojančio du signalus (., c pav.) išėjimo signalas lygus nustačius =, gauname +, OT = IN IN (.4) = (.5) ( ). OT IN + Kaip matome, stiprintuve du signalai vienu metu gali būti ne tik susumuoti, bet ir jų suma sustiprinta K kartų. Stiprintuve, atimančiame vieną signalą iš kito (. d pav.) IN tuomet išėjimo signalas OT = OT (.6) IN IN, = 4, 4

15 nustačius (.7) =, gaunam 4 OT = ( ). Operaciniai stiprintuvai įrenginiui yra parenkami pagal šiuos pagrindinius parametrus: stiprinimo koeficientą K, įėjimo srovę I IN (įėjimo varžą IN ), maksimalią galimą išėjimo įtampą išm, išėjimo varžą IŠ, dažnį f, kuriam esant stiprinimo koeficientas tampa lygus, maitinimo įtampas + CC ir CC. Parenkant konkretų operacinį stiprintuvą projektuojamam grandynui, gali prireikti įvertinti ir kitus parametrus ar charakteristikas. Jie randami gaminamų operacinių stiprintuvų aprašymuose.. lentelėje pateikti kelių operacinių stiprintuvų pagrindiniai parametrai.. lentelė. Kai kurių operacinių stiprintuvų parametrai Tipas Stiprinimo koeficientas K, *0 4 Įėjimo srovė I IN, na Išėjimo varža OT, kω Maksimali išėjimo įtampa ± OT, V Vienetinis stiprinimo dažnis f, MHz Maitinimo įtampos ± CC,V µa70 0, 8*0 5 5,7 8,6 µa , OP07E ,4...8 AD5 50 0, ΗΑ Stiprintuvams ma740, OP07E, AD5 projektuotojas, pagal sudaromos schemos ypatybes gali nustatyti bet kokias maitinimo įtampas neviršijančias leidžiamo diapazono ribų (pvz., ± CC = ± 9 V, ± CC = ± 5 V ir pan.). Praktikoje plačiai yra naudojama stiprintuvų dažninė amplitudės charakteristika (. pav. a,), kuri parodo, kokius signalus stiprintuvas gali stiprinti. Dar naudojama normuota dažninė amplitudės charakteristika (. pav. b), iš jos yra nustatoma stiprintuvo stiprinamų signalų juosta ΔF. Šiandien yra gaminama gana daug operacinių stiprintuvų tipų. Jie skirti patenkinti įvairius vartotojų poreikius. Tik viena Analog Device firma (JAV) gamina virš 400 skirtingų tipų operacinių stiprintuvų. Išskiriamos tokios šių stiprintuvų grupės: bendros paskirties, matavimo, didelių išėjimo įtampų, mažų vartojamų galių, plačiajuosčiai ir kt. Todėl šiandieninei elektroninei, automatinei ir kt. aparatūroje dažniausia naudojami operaciniai stiprintuvai. Tik tais atvejais, kada nėra gaminamų operacinių stiprintuvų, kurie tenkintų specifinius projektuojamos įrangos reikalavimus, naudojami ne operaciniai stiprintuvai. K K/K maks,707,5 a f lgf. pav. Operacinių stiprintuvų dažninės amplitudės charakteristikos; a prie skirtingų stiprinimo koeficientų; b santykinė charakteristika su nustatyta stiprinamų signalų juosta ΔF ΔF b lgf