Файл: Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольных работ Для студентов зф всех специализаций и направлений подготовки.docx

Министерство транспорта Российской Федерации (Минтранс России)

Федеральное агентство воздушного транспорта (Росавиация)

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный

университет гражданской авиации»


ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

(Ч.2 ЭЛЕКТРОНИКА)

Методические указания по изучению дисциплины

и выполнению контрольных работ

Для студентов ЗФ всех специализаций

и направлений подготовки

Санкт-Петербург

2017

Одобрено и рекомендовано к изданию

Учебно-методическим советом Университета

Ш 87 (03)

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА (Ч. 2 ЭЛЕКТРОНИКА): Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольных работ / Университет ГА. С.-Петербург, 2017.

Издаются в соответствии с программой дисциплин «Общая электротехника и электроника», «Электротехника и электроника», «Электроника».

Содержат краткие теоретические сведения по полупроводниковым приборам и физическим процессам, происходящим в схемах на транзисторах, рекомендованы некоторые методики по оценке основных характеристик электронных устройств.

Предназначены для студентов ЗФ всех специализаций и направлений подготовки.

Ил.27, библ. 5 назв.

Составитель: В. Е. Кошевёров, ст. преподаватель кафедры № 11

Рецензент: А.В.Фёдоров, к.п.н., доцент кафедры № 18
© Университет гражданской авиации, 2017

Оглавление

---

1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению контрольных работ следует приступать после изучения соответствующих тем лекционного курса, а также кратких теоретических сведений, содержащихся в данных указаниях.

Работы должны быть написаны шариковой ручкой на стандартных листах писчей бумаги. На рабочих лис­тах следует оставлять поля не менее 40 мм для замечаний преподавателя.

Решения должны быть достаточно подробно объяснены. Вычисления должны производиться с точностью до треть­его значащего знака.

Рисунки (графики, схемы и т.п.) должны быть выполнены аккуратно с помощью чертёжных инструментов в удобно читаемом масштабе. Условные графические обозначения в схемах должны быть сделаны в соответствии с действующими ГОСТами. При построении графика оси координат следует обозначать буквами (например, U - напряжение, I- ток, R- сопротивление, L- индуктивность, С - ёмкость, t- время и т.д.), характеризующими размерности соответствующих величин. На осях обозначить шкалы для каждой величины в масштабе выбранных единиц. Если на одном графике имеется несколько кривых, то по оси ординат наносится несколько шкал. Построение графиков и диаграмм желательно (для удобства) производить на миллиметровке.

Контрольная работа может включать в себя несколь­ко задач (контрольных заданий).

В настоящих методических указаниях приведены вариан­ты контрольных заданий. Слушатель выбирает для выполнения КР один из вариантов в соответствии с двумя последними цифрами шифра.

---

2. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ: «Графоаналитический расчёт однокаскадного транзисторного усилителя высокой частоты».

2.1. Цель работы

Закрепление теоретического материала по работе электронных устройств и овладение практическими навыками по их расчёту.

2.2. Краткие теоретические сведения.

Элементная база современных электронных устройств.

Транзисторы.

Транзистором называется трёхэлектродный полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами и имеющий не более двух переходов. Транзисторы, выполненные на базе двух несимметричных p-n переходов, называются биполярными.

2.2.1 Биполярные транзисторы.

Определение. Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Переходы образуются на границе раздела трёх областей прибора: эмиттера, базы и коллектора (Рис. 1)



Эмиттер (Э) представляет собой область с наибольшей концентрацией основных подвижных носителей заряда. Часть прибора с меньшей концентрацией носителей заряда называется коллектором (К). База (Б) является средней областью транзистора. Она обладает основными подвижными носителями заряда противоположного знака с наименьшей по сравнению с эмиттером и коллектором концентрацией. В зависимости от чередования областей р и n различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа. На условных графических обозначениях стрелочкой показано направление протекания тока при прямом включении эмиттерного перехода (на р область «плюс», на n – «минус»).

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие состоит лишь в том, что в приборe p-n-p типа основной ток создается дырками, а в транзисторах n-p-n типа – электронами. Рассмотрим принцип работы транзистора на примере прибора p-n-p типа.

Принцип работы

При отсутствии внешнего электрического поля транзистор представляет собой электрически нейтральную трехслойную полупроводниковую структуру. В рабочем состоянии напряжения к электродам транзистора должны быть приложены так, чтобы эмиттерный переход был открыт (

---

U_бэ > 0), а коллекторный закрыт (U_бк < 0). Через открытый переход имеет место инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

Определение. Инжекцией называется процесс диффузии подвижных носителей заряда через p-n переход под действием прямого напряжения (Рис. 2)

Определение. Экстракцией называется процесс переноса не основных носителей заряда через p-n переход, смещенный в обратном направлении.



Эти процессы определяют электронную I_эn и дырочную I_эр составляющую тока эмиттера:

I_э = I_эn+ I_эр( 1)

Так как концентрация дырок в эмиттере достаточно большая, то ток эмиттера определяется в основном инжекцией дырок. Относительная величина дырочной компоненты I_эроценивается коэффициентом инжекции :

I_эр = I_э (2)

Попадая в базу инжектированные дырки, становятся для нее неосновными носителями и в процессе диффузии могут рекомбинировать с ее электронами. Если толщина базы меньше чем диффузионная длина подвижных носителей заряда, то большинство дырок, не успевая рекомбинировать, попадает в ускоряющее для них поле запертого коллекторного перехода и выносится в коллектор, замыкая цепь тока транзистора. С учетом рекомбинации в базе ток коллектора:

I_к = I_эр + I_КБО, (3)

где  < 1 – коэффициент переноса электронов в базе, учитывающий их частичную рекомбинацию, I_КБО – обратный ток коллекторного перехода, определяемый его собственными неосновными подвижными носителями зарядов. Принимая во внимание выражение (3) получаем:

I_к = I_э + I_КБО = I_э + I_КБО, (4)

где  - коэффициент передачи эмиттерного тока. Обычно  = (0,95…0,995)

На основании закона Кирхгофа имеем:

I_б = I_э – I_к (5)

При изменении напряжение U_бэ изменяется количество инжектированных в базу дырок, а, следовательно, и количество дырок, экстрагированных из базы в коллектор. Таким образом, транзистор представляет собой прибор, в котором управление током коллекторного перехода осуществляется током эмиттерного перехода. Как следует из (4) ток коллектора мало чем отличается от тока эмиттера. Поэтому при включении в цепь коллектора резистора с достаточно большим

---

сопротивлением можно получить на нем падение напряжения, превышающее входное U_бэ. Эта особенность транзисторов обуславливает их широкое применение в качестве усилительных элементов функциональных узлов РЭО.

Схемы включения

В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают следующие схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК). Рассмотрим их особенности.

Схема с общей базой

В схеме с общей базой (Рис. 3) входным током является ток эмиттера I_э, определяемый U_эб. Выходным током и напряжением считаются I_к и U_кб. Рассматриваемая схема включения совпадает со схемой, на примере которой мы рассматривали принцип работы. Поэтому остановимся только на её особенностях.
Особенностями данной схемы включения является следующее:

• 
  высокая температурная стабильность;
  
• 
  незначительная зависимость коэффициента  от частоты (возможность работы на высоких частотах);
  
• 
  отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением;
  
• 
  малые искажения при усилении сигнала;
  
• 
  высокое выходное сопротивление;
  
• 
  малый коэффициент усиления по мощности;
  
• 
  малое входное сопротивление.
  

Следует отметить, что последние два параметра являются существенными недостатками, ограничивающими широкое применение схемы с общей базой.

С хема с общим эмиттером




В схеме с общим эмиттером (Рис. 4) входным током является ток базы I_б, определяемый U_бэ. Выходным током и напряжением считаются I_к и U_кэ. Выходной ток в рассматриваемой схеме определяется на основании выражений (4) и (5):

I
Рис. 4
_к =I_э + I_КБО;

I_к =  (I_к + I_б) + I_КБО. (6)

Раскрыв скобки и выполнив несложные математические преобразования получаем:

, (7)

где коэффициент передачи базового тока. Коэффициент передачи базового тока лежит в пределах от 20 до 200 единиц.

---