«Білім        беруді        дамыту        федералдық        институты» федералдық   мемлекеттік   мекемесі   («ФБДИ»   ФМДБ) «

Автомобиль және трактор құрастыру » мамандығы бойынша орта кәсіптік білім беру бағдарламаларын іске асыратын білім беру мекемелерінің оқу үдерісіне оқулық ретінде

Пікірдің тіркеу нөмірі № 389, 23 шілде 2015 жыл.

ӨӘЖ 621.38+004.31(075.32) КБЖ 32.85/32.973.26-04я723 И 201

Рецензент — № 54 Байланыс колледжі МББМ ОКБ арнайы пәндері оқытушысы, шеберхана меңгерушісі

Ю. В. Медведь

В.Н.Иванов И 201 Электроника және микропроцессорлық техника: орта кәсіптік білім беру мекемелері студенттеріне арналған оқулық / В.Н. Иванов, И. О. Мартынова. — М. : «Академия» баспа орталығы, 2016. — 288 бет.

Оқулық        «Автомобиль        және        трактор        құрастыру»,        ОП.04 «Электроника и микропроцессорлық техника» мамандығына арналған Федералдық мемлекеттік орта кәсіптік білім беру стандартына сәйкес жасалынған. Оқулыққа электр техникалық пәндерін оқу барысында пайдаланылатын материалдар енгізілген. Электр техникасының, электронды күшейткіштердің, импульстық және автогенераторлық құрылғылардың элементтік базасы туралы мәліметтер келтірілген. Қосалқы электр қуатын беру, электронды өлшеу аспаптары және электр компоненттері мен электр сызбаларының параметрлерін тексеру әдістері санамаланған. Сандық сызба техникасы және микропроцессорлық техника элементтері қарастырылған. Электр сызбаларын Multіsіm бағдарламасының көмегімен компьютерлік модельдеу бойынша материалдар баяндалған.

Орта кәсіптік білім беру мекемелері студенттеріне арналған.

Аталмыш басылымның түпнұсқа-макеті «Академия» баспа орталығының меншігі болып табылады, және оны құқық иегерінің келісімінсіз кез-келген тәсілмен көшіріп басуға тыйым салынады.

© Иванов В.Н., Мартынова И.О., 2016 © «Академия» Білім беру-баспа орталығы, 2016  © Рәсімдеу. «Академия» баспа орталығы, 2016

Құрметті оқырман!

Аталмыш оқулық «Автомобиль-трактор құрастыру» мамандығына арналған оқу-әдістемелік жиынтығының бөлігі болып табылады. Оқулық «Электроника және микропроцессорлық техника» жалпы кәсіптік пәнін оқуға арналған. Жаңа буындағы оқу-әдістемелік жиынтықтары дәстүрлі және жалпы білім беру және жалпы кәсіптік пәндер мен кәсіптік модульдерді     оқуды     қамтамасыз        етуге мүмкіндік беретін инновациялық оқу материалдарынан тұрады. Әрбір жиынтық жалпы және кәсіптік  құзыреттерді, оның ішінде жұмыс берушінің талаптарын ескере отырып, меңгеру үшін қажетті оқулықтардан және оқу құралдарынан, оқу және бақылау құралдарынан тұрады. Оқу басылымдары электронды білім беру ресурстарымен толықтырылады. Электронды ресурстар интерактивті жаттығулары және тренажерлары, мультимедиялық объектілері бар теориялық және практикалық модульдардан, қосымша материалдарға және Интернеттегі ресурстарға сілтемелерден тұрады. Оларға терминологиялық сөздік және жұмыс уақыты, бақылау және практикалық тапсырмаларды орындау нәтижелері тәрізді оқу үдерісінің негізгі параметрлері тіркелетін электронды журнал қосылған.

Алғысөз

Электронды аспаптар мен құрылғылар пайдаланылмайтын өнеркәсіп сал асын табу мүмкін емес. Техникалық бұйымдардағы электронды тораптардың саны тұрақты түрде артып келеді. Электрониканың дамуы — бұл электронды базаның үздіксіз жетілуі және дамуы. Интегралдық технологиялардың пайда болуы және енгізілуі, күшейткіштер,    генераторлар,        өлшеу құрылғылары, басқару құрылғылары және т.б. тәрізді жекелеген функционалдық тораптарды және тіпті, тұтас аспаптарды және құрылғыларды алмастыратын, микросызбалардың жаппай шығарылуын жасақтауға мүмкіндік берді. Электроника және микропроцессорлық техника білікті маман болуға мүмкіндік беретін, білімнің жалпы базасының қажетті компоненттері болып табылады. Оқулық теориялық және практикалық оқытудың бірегейлігі принципіне сәйкес, теориялық және практикалық болып екі бөлімнен тұрады. І-ші теориялық бөлімде аналогтық және сандық электрониканың негізгі түсінігі баяндалады. Оқу материалын оқуды жеңілдету мақсатында, мәтін теориялық материалдың мәнін түсінуге көмектесетін мысалдармен қоса ұсынылады. Оқулықтағы келтірілетін электр сызбаларының көпшілігі, оларға кіретін компоненттердің номиналдарын көрсете отырып ұсынылған. Бұл сызбаны макеттік немесе компьютерлік үлгілеудің көмегімен жасап шығаруға мүмкіндік береді. 1-4-тарауларда аналогтық электрониканың элементтік базасы және      құрылысы       қарастырылған.        Өкінішке орай, оқу бағдарламасының шектеулі сағаттары саны аналогтық құрылғылардың желісін кеңінен қамтуға мүмкіндік бермейді.

назар аударылған. 7-тарау материалдарын баяндау барысында микроконтроллерге арналған бағдарламаларды жазу сұрақтары және AVR микроконтоллерін пайдаланатын, Ардуино платасы негізінде макеттік құрылғыларды жасаудың практикалық мысалдары қарастырылған. Оқулықтың практикалық ІІ тарауында, зертханалық жұмыстардың, сонымен қатар олардың көмегімен зертханалық жұмыстар (9-тарау) орындалатын, Multіsіm 10 (8-тарау) компьютерлік үлгілеу бағдарламасының сипаттамасы келтірілген. Multіsіm бағдарламасы Electronіcs Workbench бағдарламасының мирасқоры болып табылады. Ресейде бұл бағдарламаның төмендегі ұсынылған  нұсқасы кеңінен танымал — Electronіcs Workbench 5.12. 2005 жылдан бастап бағдарламаны жетілдіру бойынша жұмыстарды америкалық Natіonal Іnstruments компаниясы жүргізуде, бағдарламаның жаңа нұсқасы NІ Multіsіm атауына ие болды.

Оқулық техникалық бейіндегі орта буын мамандарын дайындауға арналған. Өздеріңіздің ескертулеріңіз бен ұсыныстарыңызды келесі ұсынылған e-maіl-ге жіберулеріңізді сұраймыз: book. empt@maіl. ru.

бөлім

1-тарау 2-тарау 3-тарау 4-тарау 5-тарау

Электронды өлшеу аспаптары және электронды компоненттер мен электр сызбалары параметрлерін тексеру әдістері

Сандық сызба техникасы элементтері Микропроцессорлық техника

1-тарау

Барлық заттар молекулалардан, ал молекулалар атомдардан тұрады. Атомның құрамына, оның айналасында электронды қабықшаны жасай отырып, зарядталған электрондар айналып жүретін ядро кіреді. Атомның ядросында, оң зарядқа ие

протондар ,

Егер, ядродағы протондар саны электрондар санымен сәйкес келсе, онда атом жалпы

электрлік бейтарап болады. Егер, атом бір немесе бірнеше электронын жоғалтқан жағдайда, онда мұндай атом

оң ион болады. Егер, атом бір немесе бірнеше электронын тауып алған жағдайда, онда ол

Электрондар белгілі бір орбиталар бойынша ядроның айналасында қозғала отырып, ядродан әртүрлі қашықтықтарға қашықтаған және тиісінше, шамасы бойынша әртүрлі энергияға

ие болады: ядродан неғұрлым қашық болған сайын, электронның энергиясы соғұрлым көп болады және соғұрлым ядромен байланысы әлсірейді. Кванттық теорияға сәйкес, электрон тек толық белгілі энергия мәніне, орбиталдық жылдамдыққа ие болады және тек белгілі (рұқсат етілген) орбиталар бойынша ғана қозғала алады. Орбиталардың радиустары, орбиталардың нөмірлерінің шаршысына пропорционалды  ұлғаятын болады: r

: r

: : r

: ... = 1

: 2

: 3

деп аталады. Энергетикалық деңгейлер арасында тыйым салынған аймақтар болады.

Қозбаған қалыпта атомдағы электрондар ядроға жақын орбиталарда болады.

Егер, атом энергияны сырттан жұтса (қызу, сәулелену), онда электрон неғұрлым жоғары еркін деңгейге өтуі немесе электр зарядының еркін тасымалдаушысы бола отырып атомнан шығып кете алады. Қатты денелерде көршілес атомдар, олардың сыртқы электронды қабықшалары бір-бірлеріне тиетіндей немесе жабатындай етіп жақын орналасады. Нәтижесінде, энергетикалық деңгейлер

тыйым салынған аймақ (тыйым салынған аймақтың энергиясы электронвольттармен өлшенеді (эВ)). Электронның валентті аймақтан өткізгіштік аймағына өтуі үшін, тыйым салынған аймақтың еніне пропорционалды температурасында барлық энергетикалық аймақтар электрондармен энергия талап етіледі. Металдарда тыйым салынған аймақ болмайды, сондықтан электрондар өздерінің энергетикалық деңгейлерін жеңіл көтере алады. Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктер тыйым салынған аймақтарының шамасымен ерекшеленеді. Бұл факт қатты денелердің диэлектрик және жартылай өткізгіш болып формалды бөлінуіне негіз болады.  Диэлектриктерде тыйым салынған аймақтың ені үлкен, және электрондардың өткізгіштік аймағына өтулері үшін айтарлықтай энергия қажет. Мұндай үдеріс, мысалы, оқшаулаудың бұзылуында орын алады. Тыйым салынған аймақтың  енін азайту үшін қосындылауды пайдаланады. Қоспалар іс жүзінде диэлектриктердің өткізгіштіктеріне ықпал жасамайды. Бірақ, жартылай   өткізгіштердің   өткізгіштіктері  қоспалардың  болуынан  аса  тәуелді. Мысалы, германийдің бір миллион атомына күшәннің бір атомы сәйкес келген жағдайда, онда 1 см

германийға

1.1-ші кесте

ат

Тыйым салынған аймақтың ені (0 °K), эВ Sі

Ge

0,24 ZnO

SіC

ІnP

ZnS

3,25

онда қосымша 10

еркін электрон пайда болады немесе таза кремнийге бор атомдарының қосылуы, кремнийдің бөлме температурасындағы өткізгіштігін 1 000 есеге ұлғайтады. Тыйым салынған аймақтың ені, температура ұлғайғанда төмендейді. Қатты денеде электр тоғының пайда болуының қажетті шарты, бос немесе толық толтырылмаған энергетикалық деңгейлердің болуы болып табылады. 0 °К температурада валенттік аймақтары толықтай толтырылмаған қатты денелер,

металдар деп аталады. Диэлектриктер мен жартылай өткізгіштерде ішінара толтырылған аймақтар жоқ, абсолюттік нөл температурасында валенттік аймақ толықтай толтырылған, ал өткізгіштік аймағы бос, сондықтан аталмыш заттар электр тоғын өткізбейді. Жартылай өткізгіштіктік электроникада германий, кремний, селендер кеңінен қолданыс табуда; заманауи жоғары жиіліктегі аспаптарда сонымен қатар, галлий арсениді және индий фосфиді пайдаланылады. 1.1.- кестеде бірқатар заттардың абсолюттік нөл жағдайындағы тыйым салынған аймақтарының мәндері келтірілген.

1.1.2. Электронды-кемтіктік өтпе

Бұған дейін атап өтілгендей, қоспалар болмағанда және абсолюттік нөл температурасында

= 0°К) жартылай өткізгіштердің валенттік аймақтары толықтай электрондарға толы, ал өткізгіштік аймағы электрондардан бос болады.  Сондықтан,  бұл  жағдайларда  жартылай  өткізгіштің  кристалы  іс

жүзінде диэлектрик болады.

Сыртқы факторлардың ықпалымен (мысалы, температура ұлғайған жағдайда) жекелеген электрондар, тыйым салынған аймақтан шығу және электрондар электр зарядтарының еркін тасымалдағыштарына айналатын, өткізгіштік аймағына өту үшін жеткілікті энергияны жұтатын болады. Бұл электрондар заттың кристалл торшасы ішінде бейберекет қозғалады және

деп аталатын бос орын пайда болады (валенттік аймақтағы толтырылмаған энергетикалық деңгей), ал электрон-кемтік жұбының түзілуі үдерісі –

генерация деп аталады. Саңылау жалғыз оң электр заряды болып табылады. Сонымен бір мезетте кері үдеріс те жүреді: бос электрон саңылаумен кездескен жағдайда, атомның валенттік аймақтағы электронды қабықшасы қалпына келтіріледі. Бұл үдеріс

рекомбинация деп аталады. Электронды – кемтікті жұптар, сонымен қатар жартылай өткізгішті электр магниттік сәулелену энергиясы есебінен жарықтандырылуы барысында да туындауы мүмкін. Электр өрісіне жартылай өткізгіш тигізген кезде электрондар қуат беру көзінің «плюс» бағытына, ал қуат беру көзінің «минус» бағытына қарай кемтіктер қозғалатын болады. Сонымен, жартылай өткізгіштерде электр өткізгіштіктің екі түрі мүмкін болады: электронды – электрондардың жылжуы нәтижесінде, кемтікті – кемтіктердің жылжуы нәтижесінде. Бірақ, кемтіктік өткізгіштіктің валенттік аймақтан жоғалған электрондардың, оң иондарының қозғалысы есебінен емес, ал электрондардың  қуат беру көзінің «минусқа» жақын орналасқан кемтіктерінен, «плюс» бағытына жақын кемтіктеріне секірулері нәтижесінде жасалынатынын түсіну қажет. Негізінен электронды өткізгіштікке ие жартылай өткізгіш,

жартылай өткізгіштердегі бос зарядтардың негізгі тасымалдағыштары электрондар болып табылады, олардың шоғырлануы кемтіктердің шоғырлануынан айтарлықтай артық болады. Негізінен кетікті өткізгіштікке ие жартылай өткізгіш,

п-

типті және p

-типті жартылай өткізгіштерді балқыту барысында диффузия үдерісі басталады: р

-аймағындағы кемтіктер п

-аймағына, ал электрондар керісінше п

п

-аймағында жанасу аймағы маңында электрондардың шоғырлануы төмендейді, ал раймағында кемтіктердің шоғырлануы төмендейді, яғни екі жартылай өткізгіштің жанасуы шекарасында, электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы орын алатын кеміген қабат пайда  болады  және  іс  жүзінде  бос  электр  зарядтарын  тасымалдағыштар

болмайды, бұл өткізгіштіктің дереу кемуіне алып келеді.

п -

және р -типті жартылай өткізгіштердің арасындағы жұқа өткізбейтін қабат жапқыш қабат, немесе

р-п

өтпесіне сыртқы кернеуді, қуат беру көзінің «плюс» бағыты n

-типті жартылай өткізгішке қосылатындай, ал «минус» р -типті өткізгішке қосылатындай етіп қосса, онда өтпеге кері кернеу жабылады (оны сонымен бірге кері ығысу деп атайды), яғни, р-п өтпесі кері бағытта іске қосылған. Электрондар мен кемтіктер шекарадан қарама-қарсы бағытқа қозғалады, жапқыш қабат қалыңдайды, оның кедергісі ұлғаяды, екі жартылай өткізгіштердің жанасуы аймағынан тоқ өтпейтін болады. р-п өтпесіне тікелей кернеуді қоса ұстаған жағдайда (оны сонымен қатар тікелей ығысу деп атайды), яғни қуат беру көзінің «плюс» бағыты р-

типті жартылай өткізгішке қосылады, ал «минус» n -типті өткізгішке қосылады, электрондар мен кемтіктер бір-бірлеріне қарсы бағытта, қозғалады, жапқыш қабаттың қалыңдығы және оның кедергісі төмендейді, екі жартылай өткізгіштердің жанасуы аймағынан тоқ жүретін болады. Бұл жағдайда, р-п өтпесі арқылы өтетін тоқтың күші, қуат көзі кернеуі ұлғайған жағдайда артатын болады. Осылайша, электронды-кемтікті өтпе бір бағыттағы өткізгіштік қасиетке ие, яғни тоқты тек бір бағытта өткізеді және оның басқа бағытта жүруіне кедергі келтіреді. Электронды- кемтікті өтпе екі әртүрлі типтегі жартылай өткізгіштердің қарапайым жанасуымен алынбайда, өйткені олардың жанасуы орнында шаңның, май қалдықтарының, ауа қабатының және т.б.  болуы жоққа шығарылмайды.

Электронды-кемтікті өтпелерді арнайы технологиялар бойынша жасалады: диффузия, балқыту, эпитаксия, иондық қосындылау, иондық имплантация

және тағы да басқа көптеген жолдармен.

1.2.

р-п

өтпесі және екі шығысы бар аспап аталады.

Жартылай өткізгіш диод, тізбектің элементі ретінде, бейсызық екі полюсті, яғни екі сыртқы шығыстары (катод К және анод А) және сызықты вольт-амперлі сипаттамасы (ВАС) бар электронды аспап болып табылады. Көптеген диодтардың жұмыс істеу принциптері р-п өтпесінің негізгі қасиеті – бір бағыттағы өткізгіштікті пайдалануға негізделген. Жартылай өткізгіш диодтың шартты графикалық белгіленуі бұл қасиетті көрсетеді: үш бұрыш (анодтың символы) оны басып өтетін электр байланысымен бірге нұқсарға ұқсас белгіні түзеді. Бұл нұсқарға перпендикулярлы сызықша катодты білдіреді (1.3- суретті қараңыз). Үшбұрыштың сүйір ұшы тікелей тоқтың диод арқылы өтуі бағытын көрсетеді.

Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы диодқа қоса берілетін, кернеуден диод арқылы өтетін тоқтың тәуелділігі аталады. ВАС графикасында (1.4-ші, а суреті) вольт-амперлік сипаттаманың тура және кері салалары бейнеленген.

пр = f(U пр ) тік саласы, тікелей қосқан жағдайдағы диодтың сипаттамасын көрсетеді (анодқа «плюс» беріледі — диод ашық).

Кері сала

кері = f(U кер ) диодтың кері қосылғандағы сипаттамасын көрсетеді (анодқа «минус» беріледі — диод жабық). р-п

өтпесін тікелей кернеуге қосқанда және р-п

өтпесінің кедергісін

пр

төмендейді, ал тоқ

п р

артады. Тоқ

>

пр max мәніне жеткенде, диод қызып кетеді. Нәтижесінде жартылай өткізгіштің кристалдық құрылымы бұзылады және аспап жарамсыз болып қалады.

пр max тоқ күші шамасы, диодтардың әртүрлі типтеріне және олардың өндірушілеріне байланысты аса ауытқымалы болады.

Кері қарай қосқанда, кері тоқ

>

р-п

өтпесінің саңылауына сәйкес келетін

кері max

мәні, әдетте, тесіп өтетін

кері max кері кернеуі, яғни оны кері қарай бағытта қосқан жағдайда диод «тесіп өтусіз» төзе алатын кернеу көрсетіледі. Диод тоқты өткізе бастауы үшін, оған минималды тікелей кернеуді беру қажет (тікелей ығысу). Минималды тікелей кернеу р-п өтпенің химиялық құрамына тәуелді. Кремний мен германийлік диодтардың тікелей кернеулері мәндеріндегі айырмашылық міне осы фактормен шартталған. Диодтың тура саласы шұғыл жоғары кететіндіктен, кернеудің тікелей төмен түсуі диодтың тоғы күші шамасының ауқымды диапазонында тұрақты болып қалады. Электр сызбаларын қарапайымдалған талдауы жағдайында, тікелей ығыстырылған диодтағы кернеудің төмендеуін тұрақты және тоқ шамасына тәуелді емес деп санауға болады. Осылайша, диодтың шынайы ВАС көптеген жағдайларда лайықтысына (яғни, тік сызыққа) алмастыруға болады және

пр =

пр max = const деп есептеуге болады. Кремнийден жасалған диодтар үшін константа 0,7 В, германийден жасалған диодтар үшін — 0,3 В болады. Диодтың шынайы вольт-амперлік сипаттамасы бойынша, диодтың жұмысына ықпал жасайтын келесі ұсынылған негізгі параметрлерді анықтауға болады:

пр =

кер. =

𝑈кер ;

𝐼кер

пр =

кер. =

𝛥𝑈кер ;

𝛥𝐼кер

тік

тік

кері

Диодтардың жіктелімі әртүрлі белгілері бойынша жүргізіледі. жартылай өткізгіш материалдарының типтері бойынша диодтар кремнийден, германийден, галлий арсенидінен және т.б. жасалған болып бөлінеді.

Кремний диодтары бірқатар артықшылықтарға ие: шамалы кері тоқтар, қоршаған  ортаның неғұрлым жоғары температураларында және үлкен кері кернеулерде пайдалану мүмкіндігі, тікелей тоқтың рұқсат етілетін үлкен тығыздығы (20... 40 А/см

германийден жасалған диодтармен салыстырғанда 60... 80 А/см

тура тоқты өткізу барысындағы кернеудің төменгі азаюына ие (0,8... 1,2 В кремнийден жасалған диодтармен салыстырғанда 0,3.0,6 В). Германийден жасалған диодтар қазіргі таңда сирек қолданылады. Функционалдық міндеттеріне байланысты, диодтар түзеткіш, стабилитрондар, жоғары жиіліктегі диодтар, импульстық диодтар, варикаптар, Шоттки диодтары, фотодиодтар, жарық диодтары, диод оптрондары және т.б. болып бөлінеді.

Түзетк іш ди одта р ауыспалы тоқты түзетуге арналған және балқымалы немесе диффузиялық технология бойынша орындалады. Тікелей тоқтың максималды рұқсат етілетін  орташа  мәніне байланысты, түзеткіш диодтар шағын, орташа және үлкен қуаттылықтағы диодтарға бөлінеді. Шағын қуаттылықтағы диодтар 300 мА-ға дейінгі, орташа және үлкен қуаттылықтағы диодтар, тиісінше — 300 мА-дан 10 А-ға дейінгі және 10 –нан 1 000 А-ға дейінгі тоқтарды түзетуге арналған.

Стабилитронның әрекет ету  принципі, оның вольт-амперлік сипаттамасының (1.4-сурет, б) кері саласында, кернеу өтетін тоқтың шамасына еш тәуелді емес учаскесінің болатындығына негізделген.

Тұрақтандырудың жұмыс учаскесі кері тоқтың

ст max

ст mіn кернеуі жағдайында орын алатын стабилитронның тесіп өтуіне сәйкес келеді. Стабилитрон тесіп өту тәртібінде (тұрақтандыру), В нүктесі сәйкес келетін

ст max кернеуіне дейін жұмыс істейді. Бұл нүктеге максималды таралатын қуаттылық сәйкес келеді:

max

ст.max

ст.max Кернеуді одан әрі ұлғайтқан жағдайда, стабилитрондаға бөлінетін қуаттылық рұқсат етілетін шектен шығады. Сонымен бірге, стабилитронның жылу тесіп өтуі орын алуы мүмкін ( р-п өтпесінің бұзылуы). Қосылған қоспалар есебінен, электр тесіп өту тоғы, жылу тесіп өтуіне өтпестен, ауқымды диапазонда өзгеруі мүмкін.

Мұндай тоқ мәні

Кіріс кернеуі азайған немесе ұлғайған жағдайда, тоқ стабилитрон және

б ккернеудің төменлдеуі арқылы өзгеретін болады, ал стабилитрондағы кернеу және жүктеме тұрақты және

н =

ст тұрақтандыру кернеуіне тең болып қалады. Қуаттылығы 250 мВт-тан 50 Вт-қа дейінге және кернеуін тұрақтандыру 5-тен 400 В-қа дейінге кремнийден жасалынған стабилитрондар шығарылады.

1.1-ші  мысал.  Егер,

кір

=  15  В  тең болғандағы

б

Балласттық резистор арқылы және стабилитрон арқылы бірлей тоқ өтетіндіктен, жазып алуға болады:

б =

𝑈б =

бұл жерде

б

б

Импульстік диод

Шоттки диодтары (Schottky dіode) соғыстың алдындағы жылдары, металл-жартылай өткізгіш жанасуының электрлік қасиеттерін сипаттайтын теорияны әзірлеген неміс физигінің атымен аталған. Мұндай диодтардың әрекет ету принципі металл-жартылай өткізгіш жанасуының түзетуші қасиетіне негізделген. Тікелей кернеулі диодқа («плюс» металға, «минус» жартылай өткізгішке) қосылған жағдайда, тікелей тоқ электрондардың жартылай өткізгіштен металға төмендетілген әлеуетті кедергі арқылы қозғалысы арқылы жасалынады, сонымен бірге электрондар негізгі тасымалдауыштар болып табылады.

Сондықтан, Шоттки диодын сонымен қатар негізгі тасымалдауыштарда жұмыс істейтін диод деп те атайды. Шоттки диодтарының айрықша ерекшелігі р-п өтпесі негізіндегі диодтармен салыстырғандағы, айтарлықтай аз тікелей төмендеуі  (0,2...0,4 В) болып табылады. Бұл Шоттки диодындағы өту заттарының бірі – металл екендігімен және тиісінше оның электрлік кедергісі (және ондағы кернеудің  тиісті төмендеуі), жартылай  өткізгіштегімен айтарлықтай төмендігімен түсіндіріледі.

р-п өтпесі аймағындағы электрондар мен кемтіктер рекомбинациясы барысында пайда болатын, жарық сәулеленуіне түрлендіретін жартылай өткізгіш диоды (электрондардың бір энергетикалық деңгейден басқасына өтуі барысында). Жарық диоды төсемдегі жартылай өткізгіш кристалдан, жанасу шығыстары бар корпустан және оптикалық жүйеден тұрады. Бірқатар жарық диодтарының сыртқы пішіндері 1.6-шы суретте ұсынылған.

Сәулеленуші жарық диодтарын екі үлкен топқа бөлуге болады: көзге көрінетін диапазондағы жарық диодтары және инфрақызыл жарық диодтары (ИҚ). Алғашқылары аспаптарда индикаторлар ретінде қолданылады, ал екіншілері қашықтықтан басқару, қабылдау- беру құрылғыларында, тетіктерде қолданылады. Жартылай өткізгіштерге қосылатын қоспалар, жартылай өткізгіш материалдың қасиетін анықтайды және жарық диодының жарқырауы түсіне ықпал етеді. Жарық диодындағы кернеудің төмендеуі жартылай өткізгіш материалдың типіне тәуелді болғандықтан, кернеудің төмендеуі шамасы мен жарық диодының жарқырауы түсі арасында тәуелділік болады. 1.2-ші кестеде жарық диодтарындағы кернеудің түстеріне байланысты төмендеуі келтірілген.

Көк

Ақ

Жарық диодтары жарықтың басқа көздерімен салыстырғанда неғұрлым ұзақ қызмет атқарады, сенімді және сонымен қатар көлемдері айтарлықтай шағын болып табылады. Қосу  мен ажыратудың жоғары жылдамдықтары, олардың негізінде ақпаратты берудің оптикалық кең жолақты жүйелерін жасауға мүмкіндік берді. Бірақ, қазіргі таңда жарық диодтары айтарлықтай қымбат, р-п

өтпесі арқылы тұрақты тоқтың өтуін және жұмыс барысында бөлінетін жылудың р-п

р-п өтпелер (матрицалық жарық диодтары) болулары мүмкін. Матрицалық жарық диодтарының жекелеген өтпелерінің қосуылуын қиыстыра отырып жанатын санның, әріптің немесе белгінің бейнесін алуға болады. Бұл үшін жарық диодтары базасында, белгіні синтездейтін индикаторлар (БСИ) дайындалады, мысалы бір разрядты және көп разрядты сандық болуы мүмкін. Белгіні синтездейтін индикаторлар сегменттерінде, әрбір сегмент дербес жарық диоды түрінде орындалған. Нөлден тоғызға дейінгі сандарды жарықтандыру үшін, кем дегенде жеті сегмент қажет.

Фотодиод

фототоком деп аталады. Бұл әсер әртүрлі оптикалық тетіктерде пайдаланылады. Мысалы, жарық

диоды фотодиод жұбы компьютердің тінтуірінде пайдаланылады. Сонымен бірге, олар фотодиодтың жарыққа сезімтал аумағы жарық диодының сәулелендіруші аумағына қарама-қарсы орналасатындай етіп     бір     корпусқа     орналастырылады.        Мұндай жұптарды пайдаланатын жартылай өткізгіш аспаптар

Бірақ, фотодиод электр энергиясын тудыру (күн сәулесі батареялары) тәртібінде де жұмыс істей алады. Мұндай жұмыс тәртібі

Диодтардың тұрақты және ауыспалы        тоқтың электр тізбегіне қосылуы сызбасы

Тұрақты тоқ тізбегіне қосылу . Ең алғашқы есте сақтайтыны, бұл диодтың  тоқты  өткізуі:  диодтың  анодын  «плюске»,  ал  катодын  — «минусқа» беру қажет. Жарық диодтары мысалында диодтардың электр тізбегіне қосылуы сызбасын қарастырамыз. Түзеткіш диодтардың қосылу сызбалары 4-ші тарауда қарастырылатын болады. Жарық диоды арқылы өтетін тоқтың шамасы негізгі параметр болып табылады. Жарық диоды арқылы өтетін тоқ шамасының номиналды мәні

ном 10...20 мА-ға тең. (Түзеткіш диод арқылы айтарлықтай  үлкен тоқ шамасының өтетінін айта кету қажет). Жарық диоды арқылы өтетін тоқ, онда кернеудің төмендеуін тудырады. Әртүрлі жарық диодтарына арналған кернеудің төмендеуінің номиналды мәндері 1.2-ші кестеде келтірілген. Сонымен қатар, жарық диодының жұмыс істеу аймағын шектейтін және жарық диодының жарқырауы байқалатын,

mах

және

mіn

кернеудің төмендеуінің максималды және минималды мәндері болады.

mах

артық кернеу жағдайында, жарық диодын тесіп өту орын алады, ал

mіn

төмен кернеу жағдайында, жарық диодынің жарқырауы тоқтайды.

Тоқ тізбектелген түрде жалғастырылған жарық диодтары арқылы, номиналы келесі ұсынылған формула бойынша есептелінетін, тізбектеліп қосылған шектеуші резистордың көмегімен реттеледі:

бұл жерде

и .п

n

саны;

ном

ном

Егер, жарық диодтары көп болса және қуат беру көзі олардың барлығын бірдей тізбектеп қосуға мүмкіндік  бермесе (кернеу жетпесе), онда тізбектелген-параллельді жалғау, яғни әрбір тізбекте қуат беру кернеуінен аз кернеу бар бірнеше тізбекті жалғануларды параллельді жалғау пайдаланылады.

ном

= 1,66 В, номиналды тура тоғы

ном

Егер біз тоғыз жарық диодтарын бір сызыққа тізбектеп жалғайтын болсақ, олардың кернеулерінің жалпы төмендеуі 9 • 1,66 = 14,94 В болады, бұл қуат беру кернеуінен артық болады. Сондықтан, сызықты әрқайсысында үш жарық диодтары болатын үш параллельді тізбекке бөлеміз. Әрбір  тізбекке келесі ұсынылған номиналдағы шектеуші резистор қоямыз:

𝑈и .п− ? 𝑈 ном =

Ауыспалы тоқ тізбегіне қосылу. Жарық диодын ауыспалы тоқ тізбегіне қосуға болады. Сонымен бірге, жарық диоды тек оң толқындарды өткізетін болады, бірақ біз әдеттегі лампочканың жыпылықтауын байқамайтынымыздай, жарық диодының қуат беруші желінің 50 Гц жиілігіндегі жыпылықтауын біз байқамаймыз. Жарық диодтарын ауыспалы тоқтың тізбегіне қосқан жағдайда, максималды рұқсат етілетін кері кернеу туралы ұмытпау қажет.

а

б

в

Көптеген жарық диодтарында ол 10 В шегінде болады. Бірақ, жарық диодын 220 В ауыспалы тоқ желісіне қосқанда, жарық диодына әсер ететін кері кернеу желінің

амплитудалық кернеуіне тең болады. Жарық диодын кері кернеуден қорғау үшін, онымен бір тізбекке, рұқсат етілетін кері кернеуі 1.8, а суретінде көрсетілгендей

б суретте көрсетілгендей, синусоидтың оң және теріс жартылай толқындарын өткізу  үшін, екі қарама-қарсы-параллельді жарық диодтарын қоюға болады. Санамаланған сызбалардың әрқайсысына, диод арқылы өтетін тоқты шектеу үшін резистор қою қажет. 1.8, а суретінде көрсетілгендей қосылу нұсқасына арналған шектеуші резистор кедергісін табамыз. Диод арқылы өтетін максималды тоқ

m амплитудалық кернеуімен анықталады. Жарық диоды арқылы өтетін максималды тоқ

ном = 15 мА номиналды тура тоғынан аспауы қажет деп санаймыз. Жарық диодындағы және қосымша диодтағы кернеудің төмендеуіне қарамастан, резистордың жүктеме кедергісін табамыз:

ном =

𝑈 m =

𝐼 ном

𝐼 ном

0,015

Енді, 50 қызыл жарық диодты екі саладан тұратын, 220 В гирлянданы желіге қосу қажет дейік. Жолай, салалардың бірнеше қарама-қарсы-параллельді салаларының есебінен, гирляндадағы жарық диодтарының саны бірнеше жүзге және тіпті, мыңға жетуі мүмкіндігін атап кетеміз.

Гирлянданың бір саласына арналған шектеуші резистордың кедергісін табамыз:

ном =

𝐼 ном

0,015

Кедергінің   жақын   маңдағы   16   кОм   үлкен   мәнін   таңдаймыз. Гирлянданың  әрбір  саласында  16  кОм-дық  кедергісі  бар  резистор орнатылуы қажет. Шектеуші резисторлары бар желіден қуат алу ең оңтайлысы емес, өйткені резисторларда айтарлықтай қуат бөлінеді. Электр энергиясының қыздыруға кететін қажет емес шығындарына жол бермеу үшін, резисторлардың орнына

, в

суретте көрсетілгендей конденсаторлар қоюға болады.

1.3.

Транзистор

Транзисторлардың көптеген әралуан түрлері: үлкен қуаттылықтағы зор күшейтікштерден көлемі бірнеше есе кішкентай кілттерге дейінгі нанометр болады. Транзисторлар құрылымдары бойынша екі үлкен топқа бөлінеді: биполярлық және далалық. Биполярлық транзисторлар негізінен аналогтық, ал далалық транзисторлар — сандық техникада пайдаланылады. Жұмысына заряд тасымалдағыштардың келесі ұсынылған екі типі қатысатын транзистор: электрондар және саңылаулар,

биполярлы деп аталады. Ол мұнымен жұмысына заряд тасымалдағыштардың бір типі ғана қатысатын далалық транзистордан ерекшеленеді.

Биполярлы транзистордың екі p

n

n

р

n

p

п

p

1.9- сурет. Транзисторлардың графикалық белгіленуі: а

n

p

n

-типті; б

p

n

p

-типті

яғни бұл тасымалдауыштарды қабылдағыш деп атайды. Әдетте, коллектордың аймағы, эмиттердікіне қарағанда кең болады. Базаны әлсіз қосындыланған жартылай өткізгіштен (сондықтан ол үлкен кедергіге ие) дайындайды және өте жұқа етіп жасайды, коллектор мен база арасындағы p

n

Бұл екі себеп бойынша жасалынады:

Биполярлы транзистор симметриялық емес құрылғы болып табылады, сондықтан қосылудың полярлылығын өзгерту жолымен эмиттер мен коллектордың орындарын ауыстыру, яғни биполярлық транзистордың инверстік қосылуын жүзеге асыру мақсат емес. Транзистордың белгіленуіндегі нұсқардың бағыты өтіп жатқан тоқтың   бағытын   көрсетеді.   Тоқтың   оң   бағыты   деп   «плюстан»

«минусқа» өтуі қабылданады, сондықтан транзистордың белгілемесіндегі нұсқар р

аймағынан п

аймағына бағытталған. Осылайша, транзистордың n

p

n

белгіленуінде нұсқар базадан эмиттерге (1.9, а суреті), ал транзистордың p

n

p

Биполярлы транзисторлар корпуссыз (мысалы, интегралдық микросызбалар құрамында пайдалану үшін) және үлгілік металдан, пластмассадан немесе керамикалық корпустан жасалынған болулары мүмкін.

Транзистордың өтпелерінің қандай жағдайда болғандықтарына байланысты (өтпелер тура немесе кері бағыттарда ығыстырылулары мүмкін), биполярық транзистордың төрт түрлі жұмыс тәртіптері белгіленеді (1.3- кесте). Егер, транзистор сигналдарды күшейту үшін қолданылса, онда белсенді жұмыс тәртібі, егер, транзистор кілт ретінде қолданылса – айыру немесе қанығу тәртіптері негізгі болып табылады. Биполярлы транзисторлардың негізгі ерекшеліктері, эмиттердегі, базадағы        және        коллектордағы        зарядтарды        негізгі тасымалдаушылардың шоғырлануының біркелкі еместігі болып табылады. Эмиттерде заряд тасымалдағыштар максималды, коллекторда эмиттерге қарағанда — біршама аз, ал базада — ол тіпті шамалы болады.

Транзисторға екі кернеу береді: коллектор мен эмиттер арасында

және база мен эмиттер арасында

Соңғысы

қарағанда айтарлықтай төмен (салыстыру үшін, мысалы кремнийден жасалынған транзистор үшін қажетті минималды кернеу

= 0,7 В, ал коллекторлық өтпеге

= 15 В кернеуі берілуі мүмкін). Эмиттер мен коллектор арасында, база мен эмиттер арасындағыға қарағанда (базаның әлсіз басқару тоғы) айтарлықтай үлкен шамадағы тоқ өтеді (коллектор тоғы). Транзистордағы тоқтардың негізгі арақатынасы

Транзистордың жұмыс істеу тәртібі, базаның шамалы көлемдегі тоғы коллектордың үлкен шамадағы тоғын басқарады. Транизистордың n

p

n -жұмыс істеуін белсенді тәртіпте қарастырайық.  Эмиттерлік  өтпе  ашық  болғандықтан,  электрондар

эмиттер тоғын жасай отырып, базаға жеңіл «қаша» алады. Ол жерде олар кемтіктермен жиі рекомбинация жасайды, бірақ олардың көп бөлігі базаның қалыңдығының төмендігінен және оның

әлсіз қоспаланғандығынан, белсенді тәртіпте жабық болатын коллекторлық өтпеге «жетуге» ғана үлгереді.

Эмиттерлік өтпенің электр алаңы электрондарға, кері ығыстырылған коллекторлық өтпенің электр алаңынан өтуге көмектеседі. Егер, базаның тоғын ұлғайтса, онда эмиттерлік өтпе кеңірек ашылады және эмиттер мен коллектор арасында электрондардың көбірек шамасы «өте алатын болады». Коллекторда басынан бастап электрондардың көп шоғырлануы орын алғандықтан, коллектор тоғының өзгеруі айтарлықтай болады. Осылайша, базаға келіп түскен әлсіз сигналдың күшеюі орын алады. Осылай, коллектор тоғының шамасының айтарлықтай өзгеруі база тоғы шамасының әлсіз өзгеруіне байланысты туындаған .

Транизистордың n

p

n -жұмыс істеу тәртібі осыған ұқсас, тек коллектор мен эмиттер арасындағы кернеудің полярлылығы қарама- қарсы, ал «электрон» терминін «кемтіктер» терминіне өзгерту қажет. Базаның әлсіз тоғын күшейтуге арналған қосымша энергия, коллектор — эмиттер тізбегіне қосылған қуат көзінен алынатын болады. Кернеуді қатты күшейткенде коллекторлық өтпеде, күшті иондалудың нәтижесінде заряд тасымалдағыштардың орасан көбеюі басталуы мүмкін. Туннель әсерімен қатар, бұл алдымен электр тесіп өтуіне алып келеді, ал сосын (тоқтың ұлғаюына байланысты) транзистордың жылулық тесілуіне алып келеді. Егер, база жұқа болса, транзисторда тағы да бір құбылыс — базаның «тесілуі» орын алуы мүмкін. Мұның себебі, оларға түсетін кернеу өзгерген жағдайларда коллекторлық және эмиттерлік өтпелер қалыңдықтарының өзгеруі болады. Сонымен бірге, коллекторлық және эмиттерлік өтпелердің қабысуы байқалады, яғни база аймағы жоғалып кетеді, базаның басқарушы функциясы жоғалады, транзистор тесілетін болады.

ά =        4

Әрқашан

<

, ал ά. =

= ά

β =        ;

ά = β ; 1−β

амперлік сипаттамалар

Транзисторларды электронды құрылғыларға қосқанда кіріс сигналына арналған екі шықпасы және шығыс сигналына арналған екі шықпасы болуы қажет. Транзисторда бар болғаны үш шықпа болғандықтан, олардың бірі ортақ болады, яғни транзистордың шықпаларының біріне қос қуат беру көзінен де бірдей белгідегі кернеу беру қажет. Бұл шықпаның қандай екендігіне байланысты, биполярлық транзисторларды қосудың үш сызбасы белгіленеді: ортақ эмиттерлі (ОЭ), ортақ коллекторлы (ОК) және ортақ базалы (ОБ). Сызбадағы барлық кернеулер әдетте осы ортақ шықпаға қатысты өлшенетін болады. Бұл сызбалардың әрқайсысының артықшылықтары, сонымен бірге кемшіліктері де  бар. Олардың арасында таңдау жасау, қандай парамметрлердің маңызды, ал қандайларын есепке алмауға болатындығына байланысты орын алады.

а

суретінде келтірілген. Кіріс тоғы эмиттердің тоғы (

кір =

), ал шығыс тоғы — коллектор тоғы (

кір =

) болып табылады. ОБ сызба үшін кіріс және шығыс кернеулері арасындағы фазалық ығысу жоқ. ОБ сызба кернеу бойынша үлкен күш береді, жақсы жиіліктік және температуралық қасиеттерге ие. Бұл сызбаның кемшіліктеріне төмен кіріс кедергісін, екі қуат беру көзін пайдалануды жатқызуға болады. Ортақ базалы сызбада тоқ күшеймейді. Шығыс тоғы кіріс тоғына тең шамада болады.

б

суреті) транзи- стор кіріс тоғы болып табылатын база тоғымен

басқарылады, ал шығыс тоғы — коллектор тоғы болып табылады

ОЭ сызба бойынша транзистор, оның күшейткіш қасиеттеріне байланысты, кернеу бойынша сигналдың 10-200 есеге дейінгі күшеюін және тоқ бойынша 20-100 еселік күшеюді бере алады. ОЭ бар сызба қуаттылық бойынша неғұрлым үлкен күшеюді бере алады (ондаған мың бірлік), осыған байланысты неғұрлым кеңінен таралған. Эмиттер-база өтпесі тура қосылады, ал база – коллектор өтпесі кері қарай қосылатын болады. Базаға да және коллекторға да бірдей белгідегі кернеу берілетіндіктен, сызбаға бір көзден қуат беруге болады, бұл оның артықшылығы болып табылады. Аталмыш сызбада шығыс ауыспалы кернеу фазасы, кіріс ауыспалы кернеу фазасына қатысты 180° ығыстырылған. Бірақ, ОЭ бар сызбаның айтарлықтай кемшілігі бар: жиілік пен температураның ұлғаюы транзистордың күшейткіш қасиеттерінің айтарлықтай нашарлауына алып келеді. Осылайша, егер транзистор жоғары жиіліктерде жұмыс істеуі қажет болса, онда қосылудың басқа сызбасын пайдаланған дұрыс (мысалы, ортақ базалы). ОЭ бар сызбаның жұмысын әдетте транзистордың кіріс және шығыс вольт-амперлік сипаттамаларының көмегімен сипаттайды. База тоғының транзистордың кіріс тізбегіндегі база – эмиттер кернеуіне тәуелділігі

= const жағдайында

= f(U

кіріс сипаттамасы оңға қарай ығысатын болады. Коллектор тоғының транзистордың шығыс тізбегіндегі коллектор — эмиттер кернеуіне тәуелділігі

= const жағдайында

= f(U

) транзистордың шығыс вольт-амперлік сипаттамасы деп аталады. Базаның тоғының әртүрлі мәндеріне арналған шығыс сипаттамаларының тобы 1.11, б суретінде көрсетілген түрде болады.

Ортақ коллекторы бар сызбада (1.10, в суретін қараңыз) база тоғы кіріс тоғы, ал шығыс тоғы — эмиттер тоғы болып табылады. Бұл сызба   кернеуді   күшейтпейді,   бірақ   тоқты   күшейтеді,   сондықтан

мұндай сызбаны кернеуді қайталауыш деп атайды. Кіру және шығу орындарындағы кернеулер фазалары сәйкес келеді. Сызбаның жұмыс істеуінің ерекшелігі жоғары кіріс кедергісі және төмен шығыс кедергісі болып табылады. Бұл сызба қуаттылық бойынша каскадтарды қиыстыру үшін тиімді. Транзистордың        қасиеттерін,        олардың        көмегімен транзисторлардың сапасын салыстыруға және электронды сызбаларды есептеуге болатын

hпараметрлер кіріс және шығыс тоқтары мен кернеулерін байланыстырады және сигналдардың шамалы амплитудалары мен транзистордың белсенді жұмыс тәртібі үшін әділ болып табылады. Ортақ эмиттерлері бар сызба үшін h-

= const жағдайындағы h

= const жағдайындағы h

тоқ бойынша күшею коэффициенті:

= const жағдайындағы h

(h

ортақ эмиттерлі сызбасы үшін);

1.12-  сурет.  Ортақ  эмиттері  бар  сызбада  транзисторлардың  статикалық сипаттамалары бойынша h –параметрлерді анықтау: а h

; б h

; в h

; г h

шығыс өткізгіштігі:

= const жағдайындағы h

Аталмыш бөлімшенің міндеттерін шешу үшін Киргхоф заңдары қажет болады. Оларды естеріңізге сала кетейік.

«плюс» белгісі, және тораптан шығатын тоқтарға «минус» белгісі беріледі. Жалпы алғанда Киргхофтың бірінші заңы төмендегідей жазылған:

к

= 0,

яғни тораптағы тоқтардың алгебралық сомасы нөлге тең.

Кирхгофтың екінші заңы.

Тұйықталған контурдың кейбір учаскелеріндегі кернеулердің төмендеуінің, күрделі салаланған тізбектегі бөлінген алгебралық сомасы, осы контурдағы ЭДС алгебралық сомасына тең. Резистивтік кедергілерге арналған дербес жағдайларда Киргхофтың екінші заңы төмендегідей жазылуы мүмкін:

к

к

к ,

Киргхофтың екінші заңын қолданған кезде тұйықталған контурдың айналмасының бағытын және контурдағы тоқ бағытын ұсыну қажет. Әдетте, оң деп тұйықталған контурдың айналмасының бағыты саналатын  болады.  Тоқтың  оң  бағыты  ретінде  тоқ  көзінің «плюсінен» «минусына» қарай бағыт саналады. ЭДС үшін оң деп, қуат беру көзі контурдың айналмасының бағытындағы әлеуетті арттыратын, яғни «минустан» «плюске» баратын бағыт саналады.

Шешім і.

Киргхофтың екінші заңын қолдан база тізбегі контуры үшін қолдана отырып, жазамыз:

к

1.13-сурет. Биполярлы транзисторды қосу сызбасы

сыдан

б =

−𝑈бэ+Еб =

Коллектор тоғы

= βІ

100 • 0,1 •10 -3

= 10 •10 -3

А = 10 мА

Эмиттер тоғы

= 10 мА + 0,1 мА = 10,1 мА.

Алынған нәтижелерден

Шешім.

Кирхгофтың коллектор тізбегіндегі кернеулерге арналған екінші заңын қолданамыз:

к =

осыдан

Осыдан

к =

−𝑈кэ+Ек =

База тоғы        .

б = Ік =

Шешім . База тізбегіне арналған Киргхофтың екінші заңын қолдана отырып төмендегілерді аламыз:

(1.2)

(1.2) шарттан:

б = −

𝑈бэ

Коллектор тізбегі үшін:

(1.3)

(1.3) формуласынан жазып алуға болады:

к = Ек−

𝑈кэ =

Қанығу шарты келесідей болады:

кэ

𝛽

Қанығу шарттары егер, ? =

кэ =

1.4.

Дала транзисторы (ПТ) — тоқ, кернеумен бекітпеде пайда болатын, электр алаңы тоғына «перпендикуляр» әрекеті нәтижесінде өзгеретін жартылай өткізгіш аспап. Дала транзисторында  үш электрод болады: көзі (source), ағар (draіn) және қақпа (gate). Одан арнаға негізгі заряд тасымалдағыштар инжекторланатын электрод көз

деп аталады.

Далалық транзисторды негізінен металдан жасалынған корпуста кездестіруге болады, онда үш негізгі шықпадан бөлек, монтаждау барысында конструкцияның ортақ сымымен жалғайтын, корпустың төртінші шықпасы да болуы мүмкін.

ішінде        шет        елдік        әдебиеттерде        қабылданған,        белгілеулер келтірілген), келесілер болып табылады:

= const тең болғанда

𝛥Іс ;

р     –     n     – өтпелі     дала     транзисторларының        ауыспалы сипаттамасының тіктігі, төменгі қуатты аспаптардағы 1 ...2 мА/В күштік транзисторлардағы ондаған миллиампер вольтқа дейін өзгеруі мүмкін. Тіктіктің максималды мәні

= 0 болады. Бекітпедегі кернеудің артуымен тіктік кемиді және

кес

жағдайында нөлге тең болады. ■

t

= const жағдайында R t =

𝛥Uси ;

𝛥Іс

𝛥Uзи

= const жағдайында R кір =

= const жағдайында

и =

𝛥Uси ;

𝛥Uзи

и ,

және

t аарналған көріністерді салыстыра отырып келесі ұсынылған теңдікті алуға болады

и

t .

Айта кететін бір жайт,  дала транзисторларындағы  кіру кедергісінің

кір

шамасы өте үлкен және 10

Ом-нан асуы мүмкін.

1.4.1. р-n-өтпелерін басқаратын дала транзисторлары

1.14-ші суретте р-п

п-

немесе ртипі. Бекітпе арнаға қатысты өткізгіштіктің қарама-қарсы типіндегі жартылай өткізгіштен орындалады, яғни тиісінше р-

немесе птипінен. Екі жартылай өткізгіштер шекарасында, оған жалғасқан кемітілген өткізбейтін қабаты бар р-п

р-п

п-

арнасымен; басқарушы р-п

р-

р-п

п-

арнасы  бар дала транзисторының жұмысын қарастырайық (1.14, а суреті).

көзі р-п

қуат көзінен ағарға «плюс» белгісін беретіндей етіп

және

сыртқы қуат көздерін қосамыз.

ұзына бойғы кернеуінің ықпалымен парнасы бойынша зарядтың негізгі тасымалдағыштары тоғы өтеді. Арнаның көлденең қимасы және оның кедергісінің аумағы, сыртқы шекарасы 1.14, а суретінде үзік сызықты сызықпен белгіленген, кемітілген қабаттың еніне байланысты.

кері кернеуін ұлғайтқан жағдайда, кемітілген қабаттың ені артады, ал өткізгіш арнаның көлденең қимасы тиісінше кішірейеді. Мұның салдарынан тоқтың арна арқылы өтуі де азаяды. Кері кернеудің белгілі бір мәндерінде, кемітілген қабат, арнаны толық жабатындай және арна арқылы өту тоқтатылатындай етіп кеңуі мүмкін. Бұл кернеу

қима кернеуі деп аталады. Дала транзисторларының биполярлы транзисторлардан айырмашылығы, тоқ р

п

Басқарушы р-п

-өтпесі және п-

арнасы бар дала транзисторының шартты белгіленуі 1.14, б суретте және р-

р-п -өтпесі бар ДТ вольт-амперлік шығыс сипаттамаларын қарастырайық. Дала транзисторларының кіріс сипаттамалары болмайды, өйткені кіріс тоғы нөлге тең. Басқарушы

парнасы бар дала транзисторының шығыс сипаттамалары 1.15, а суретінде ұсынылған. Шығыс сипаттамалары тобында үш аймақты бөле қарауға болады: желілік, қанығу және қима. Сызықтық аймақта ВАС еңкеюі

бекітпе

) кернеуіне тәуелді тура сызық болып табылады. Арнаның минималды кедергісіне, кернеу

= 0 болғанда қол жеткізіледі, өйткені арнаның өткізуші бөлігі, бұл жағдайда ең үлкен қимаға ие болады. Осылайша, дала транзисторын

1.15- сурет. Басқарушы р

п

-өтпелі және п

а

б

орналасқан, яғни ағар тоғы

ұлғаймайды .

Шығыс   тоғының   кез-келген   мәні   үшін

келесі   ұсынылған   теңдік сақталынатын болады:

СИ қан =

қим

(1.4)

СИ қан кернеуі 1,15, а суретінде, транзистордың ВАС сәйкес штрихтік қисық сызықты басып өту нүктесі абсциссі өзегіне проекция ретінде анықталатын болады.

(1.4) теңдіктен және транзистордың ВАС

= 0 жағдайында,

СИ қан

қан

тең максималды мәнге ие болады

абсолюттік мәнінің артуына қарай,

қим

кернеуіне тәуелді.

= 0 жағдайында ағардың тоғы максималды болады және

бас

ретінде белгіленеді.

абсолюттік шамасының артуына сәйкес, ағар тоғы

қим

жағдайында  нөлге  тең  болады.  Осылайша,

ағар  тоғының қақпа – көз кернеуіне функционалдық тәуелділігі болады:

= f (

Басқарушы p

n

-өтпелі және n -арналы транзисторға арналған бұл тәуелділіктің графикалық пішіні 1.15, б суретінде көрсетілген. Бұл графикалық тәуелділікті шаршылық функция түрінде аналитикалық тәуелділікпен сипаттауға болады екен:

(1.5 )

1.6-шы мысал. p

n

-өтпелі және n

-арналы дала транзисторы қима кернеуі

қим

= -4,0 В және

бас

= 8 мА тең.

Табу:

п-

арнасы бар МДЖ-транзистор 1.16, а

суретінде көрсетілген. Ол п +

( «плюс» белгісі бұл аймақтардың күшті қоспаланғандығын білдіреді), және п +

аймақтарын жалғайтын п +

п

-типті электр өткізгіштікті екі аймақ құрылған, ртипті электр өткізгіштікті жартылай өткізгіштің, әдетте кремнийдің монокристалы болып табылад

ға тең қанығуына

алып келеді;

= 4 мА жағдайында

кернеуін табамыз:

қим

(1 - √

С бас )

Алынған көрініске шығыс деректерін қоя отырып, келесіні аламыз:

= -4

(1 - √

СИ қ ан =

қим =

Бекітпелері оқшауланған дала транзисторлары — бұл бекітпесі электрлік қатынаста арнадан диэлектрик қабатымен бөлінген транзистор болып табылады. Бекітпелері оқшауланған МДЖ (МОЖ)- транзисторлардың екі түрі болады: енгізілген арналы және индукцияланған арналы.

, б суретте көрсетілген. Бұл сызбалардың арасындағы айырмашылық, егер, енгізілген арналы транзисторда өткізгіш қабат басынан бастап қалыптастырылған болса, ал индукцияланған арналы транзистор бекітпеде кернеу болмаған жағдайда тоқ өткізбейді. МДЖ –транзисторлардың шартты графикалық белгіленулері 1.16.

Арнаның бетінде, одан да электрлік шығыс – бекітпе жасалынатын, жұқа металдан жасалынған пленка (мысалы, алюминийден) шашырату әдісімен жағылған диэлектрик қабаты болады (кремний диоксиді SіO

). Кейде, түптұғырдан (табанынан) да көзбен қысқаша жалғастырылатын шығыс жасалынады. n -типті енгізілген арнасы бар транзистордың жұмысын қарастырайық. Транзисторды ағар мен көз арасындағы кернеуге қосайық. Бекітпені сөндірілген қалыпта қалдырайық (

= 0). Енгізілген арна болғандықтан, транзистор арқылы электрондар ағыны болып табылатын,

тоғы өтеді. Бекітпеге көзге қатысты теріс кернеу берейік. Арнада электрондарды арна аймағынан төсемеге қарай ығыстыра бастайтын, көлденең электр алаңы пайда болады. Арнадағы электрондар саны азаяды, оның кедергісі артады, және

тоғы төмендейді.  Транзистордың мұндай  жұмыс істеу тәртібі кему тәртібі деп аталады. Егер, бекітпеге оң кернеу беретін болсақ, пайда болған электр алаңы электрондарды ағар, көз және түптұғыр аймақтарынан тартатын болады.

Арна   кеңейеді,   оның   өткізгіштігі   артады,   және

Енгізілген арнасы бар МДЖ-транзистор төмендегі ұсынылған екі тәртіпте жұмыс істеуге қабілетті: кему тәртібінде және қанығу тәртібінде. ртипті енгізілген арнасы бар МДЖ-транзистордың жұмыс істеу тәртібі осыған ұқсас, тек бекітпеге көзге қатысты теріс кернеу беру қажет.

бар МДЖ-транзистордың жұмысын қарастырайық. Ағар мен көздің арасында кернеуді қосамыз. Бұл жағдайда, электр тоғы өтпейді, өйткені п

+ аймақтары арасында, электрондарды өткізбейтін р аймағы бар. Бұдан әрі, егер, бекітпеге оң кернеу беретін болса, электр алаңы пайда болады. Ол оң иондарды (саңылауларды) р

аймағынан түптұғырға қарай ығыстыратын болады.

Нәтижесінде бекітпе астында кемтіктердің шоғырлануы азаяды және олардың орындарын қақпадағы оң кернеу тартатын электрондар басатын болады. Бекітпедегі кернеу өзінің шекті мәніне жеткен кезде, бекітпе маңындағы электрондардың шоғырлануы кемтіктердің шоғырлануынан асып түседі. Ағар мен көз арасында,

тоғы өтетін, n -типті электр өткізгіштігі бар жұқа арна қалыптасады. Транзистордың қақпадағы кернеу неғұрлым үлкен болған сайын, арна да соғұрлым кең, тиісінше тоқтың күші артады. Дала транзисторының мұндай жұмыс тәртібі қанығу тәртібі деп аталады. Индукацияланған арналы транзистор тек қанығу тәртібінде ғана жұмыс істей алады. р-

типті енгізілген арнасы және птипті түптұғыры бар МДЖ- транзистордың жұмыс принципі де осындай, тек қақпаға көзге қатысты теріс кернеу беру қажет. Дала транзисторын, биполярлы транзистор тәрізді үш негізгі сызбаның бірі бойынша қосуға болады: ортақ көзді (ОК), ортақ ағарлы (ОА) және ортақ бекітпені (ОБ). Іс жүзінде қуаттылығы бойынша неғұрлым үлкен күшті қамтамасыз ететін, ОК (1.17-ші суретті қараңыз) сызбасы қолданылады.

Алғашқы болып биполярлы транзистор шығарылды. Қазіргі таңда биполярлы транзисторлар аналогтық электроникада дискерттік тізбектердегі күшейткіштер ретінде (жекелеген электронды компоненттерден тұратын сызбалар) кеңінен қолданыс тапқан. Олар интегралды аналогтық және сандық микросызбалармен бірлесе отырып пайдаланылады: мысалы, жоғары қуаттылыққа ие емес, интегралды сызбадан шығыста әлсіз сигналды күшейту қажет болғанда.

бар дала транзисторларын, сандық электроникада биполярлық транзисторлар жылдамдығы мен үнемділіктеріндегі көп реттік артықшылықтарының арқасында ығыстырып шығарды. Әртүрлі сандық микросызбаларда, электронды ауыстырғыштардың рөлін атқаратын жүздеген миллион және тіпті миллаиардтаған дала транзисторлары болады.

Шығыс тоғын қос белгідегі заряд тасымалдағыштары қамтамасыз етеді (электронды және кемтікті) Шығыс тоғын бір белгінің зарядтасымалдағыштары қамтамасыз етеді, яғни жұмыстек негізгі заряд тасымалдағыштарға негізделген, не электрондар, не кемтіктер

Кіріс сигналы көзі p

n

p

n

Жүздеген гигаомға және тіпті терраомға (кіріс тізбегі шығыс тізбегінен диэлектрикпен оқшауланған) жететін жоғары кіріс кедергісі, басқарушы тізбек өте төмен энергия тұтынады

Тоқ p

n

-өтпесі арқылы өтеді Тоқ p

n

Басқару тізбегінің шығыс тізбегінен оқшаулануы салдарынан, жұмыстың сенімділігі мен сызбалардың кедергіге төзімділіктері айтарлықтай артады Өзінен-өзі қызу мен екінші рет тесілудің жоғары мүмкіндігі – қауіпсіз жұмыс істеу аймағының тарылуы Өзінен-өзі қызу мен екінші рет тесілудің төмен мүмкіндігі – қауіпсіз жұмыс істеу аймағының кеңеюі

Ти ри с тор

р

пөтпелері үш немесе одан да артық тізбектеліп қосылған ауыспалы жартылай өткізгіш аспап. Тиристордың бұл аспапты автоматикада, электроникада, энергетикада әртүрлі қолданылуын қамтамасыз ететін негізгі қасиеті — бұл жабық және ашық болып табылатын екі тұрақты қалпында болуы болып табылады.

Жабық қалыпта тиристордың кедергісі он мегомды (миллион ом) құрайды және ол мың вольтқа дейінгі кернеу жағдайында тоқ өткізбейді.

Ашық қалыпта тиристордың кедергісі шамалы болады. Ондағы кернеудің төмендеуі, тоқтың ондаған және жүздеген ампер қалпында шамамен бір вольтты құрайды. Тиристор әдетте кілт тәртібінде (ашық - жабық) пайдаланылады,  жүктемеге берілетін қуаттылықты қалыпты реттеу үшін, релелер, электр қозғалтқыштары арқылы қосу және сөндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Тиристорлардың арасында екі топ айрықшаланады: басқарылмайтын (диодтық) және басқарылатын (триодтық) тиристорлар. Ең қарапайым тиристор, төрт қабатты құрылымы бар басқарылмайтын ауыспалы диод болып табылатын

динистор болып саналады. Динистор тура қосқанда, егер оның шықпаларындағы кернеу белгілі бір мәнге жеткен жағдайда  ғана ашылатын болады. Екінші топқа бір басқарушы электроды бар

Тринисторлар катод немесе анод бойынша басқарылулары мүмкін. Бұл жартылай өткізгіштің қандай қабатына басқарушы электродтың қосылғандығына байланысты орын алады. Басқарушы электрод шамалы басқару сигналының көмегімен (кернеу импульсы) тиристорды жабық қалыптан, негізгі электродтардағы кернеудің өзгермеуі (белгіленген) жағдайында ашық қалыпқа өткізуге мүмкіндік береді. Ашық қалыптан басқарылатын кернеудің көмегімен жабық қалыпқа кері өту мүмкін емес.

Си ми с тор (симметриялық тиристор) — ауыспалы тоқ тізбектеріндегі коммутация үшін пайдаланылатын, тиристорлардың түрі болып табылатын жартылай өткізгіш аспап. Электроникада басқарылатын ажыратқыш (кілт) ретінде жиі қарастырылады. Жүктемені басқару үшін, симистордың негізгі электродтары тізбекке жүктемемен тізбектеліп қосылады. Жабық қалыпта симистордың өткізгіштігі болмайды,  жүктеме сөндіріледі.  Басқарушы электродқа ашушы      сигналды      берген      жағдайда,      симистордың      негізгі

электродтары арасында өткізгіштік пайда болады, жүктеме іске қосылады. Симистордың ашық қалыпта қос бағытта да тоқ өткізеді. Симистордың, басқа тиристорлар тәрізді басқа да ерекшелігі, оны ашық қалыпта ұстау үшін басқарушы электродқа тұрақты түрде сигнал жіберіп тұрудың қажеті жоқ (транзистордан айырмашылығы). Симистор негізгі шақпалары бойынша өтетін тоқ,

ұстау тоғы деп аталатын бірқатар шамадан асқанға дейін ашық қалыпта қалады. Бұдан мынадай ой түйіндеуге болады, ауыспалы тоқ тізбегіндегі жүктеменің сөндірілуі, тоқ симистордың негізгі  электродтары арқылы бағытын өзгерткен сәтте орын алады (әдетте, бұл желідегі кернеудің полярлылығының ауысуымен бір уақытта орын алады).

1.6.

Интегралды микросызба (ИМС) (чип, микрочип) — ашылмайтын корпусқа салынған (немесе микрожинақтаманың құрамына кірген жағдайда корпуссыз) және жартылай өткізгіш түптұғырда (пластина немесе пленка) дайындалған еркін күрделіліктегі электронды сызба. Интегралды микросызба белгілі бір функционалдық торапты құрайтын ондаған және жүздеген пассивті және белсенді элементтерден тұрады. Электронды сызбалардың

пассивті элементтеріне резисторлар, конденсаторлар, индуктивті орауыштар, трансформаторлар жатады. Электронды сызбалардың

белсенді элементтеріне диодтар, транзисторлар, тиристорлар және т.б. жатады. Микросызбалардың күрделіктері деңгейі көрсеткіші, оның құрамындағы элементтер мен компоненттердің санымен сипатталады. ИМС мысал ретінде бір жартылай өткізгіш кристалл немесе әдетте аспалы компоненттермен толықтырылатын, жұқа пленкалардағы бір тұтас ретінде дайындалған, сигналдарды күшейткіштер, есептеу техникасының логикалық сызбалары, синусоидалдық, импульстық немесе ара тәріздес кернеулер генераторларын келтіруге болады.

Интегралды   микросызбалардың   артықшылықтарына   келесілерді жатқызуға болады:

Интегралды микросызбалар  интеграциялары деңгейі,  дайындау

технологиялары және міндеттері бойынша бөлінеді:

бойынша былай бөлінеді:

Интегралды микросызбаларды өндіру барысында, барлық сызба элементтері 1.18-ші суретте көрсетілгендей жартылай өткізгіштің беткі қабатында жасалынатын планарлық технология пайдаланылады.

Бұл беткі қабаттың тереңдігі бірнеше микрон ғана болады. Интегралдық микросызбаларды өндіру барысындағы технологиялық үдерістің негізгі кезеңдерін санамалап шығайық:

Технологияның барлық кезеңдері, жартылай өткізгіштің кристалында әртүрлі қоспалармен тізбектеле отырып барлық белсенді және пассивті элементтер түзілгенге дейін қайталанатын болады. Технологиялар кезеңдері бүкіл пластина бойынша бір мезетте орындалулары мүмкін, сондықтан элементтердің және олардың қосылыстарының үлкен санын жоғары дәлдікпен орындауға болады, бұл планарлық үдерістің басты артықшылығы болып табылады. Жартылай өткізгіш интегралды микросызбалар бір кристалды (монолиттік) және көп кристалды (микрожиынтық) болулары мүмкін. Бір кристалды микросызба корпуссыз болуы және микрожиынтық құрамына кіруі немесе коммутациялық (баспа) платаға монтаждауға арналған сыртқы  шығыстары бар герметикаланаған корпуста болуы мүмкін. Микросызбаның сенімділігін қамтамасыз етуде және оның шығаратын шуылын төмендетуде жалғастыру орындары маңызды рөл атқарады. Жақсы жанасуға қол жеткізу үшін лазерлік техниканы, термокомпрессияны, ультрадыбыстық дәнекерлеуді кеңінен қолданады. Сымды байланыстар үшін, диаметрі бірнеше ондаған микрон болатын мыстан жасалған алтын жалатқан немесе алытннан жасалынған сым пайдаланылады. Ең үлкен технологиялық күрделіліктер индуктивтілік орамдары мен трансформаторларды дайындау барысында пайда болады. Сондықтан,      микросызбаларды      олардың      құрамында      мұндай

элементтер аз болатындай етіп жобалауға тырысады.

Баспа платаларындағы аспалы монтаждау жолымен дискерттік элементтерде орындалған, қандай күрделіліктегі кез-келген аспаптың пайдаланылған және мінсіз қызмет атқарушы электр сызбасын, бұдан әрі бір кристалдағы интегралды микросызба түрінде пайдалануға болады және онда бұл; Міне, сондықтан микроэлектроника мен интегралдық микросызбалар өндірісін дамыту сондай маңызды.

типті жартылай өткізгіштер деп атайды?

2-тарау

2.1.

Электроникада электр сигналдарын күшейтудің қажеттілігі жиі туындайды, мысалы, автоматика жүйелерінде өлшеу тетіктерінен шығатын электр сигналдарын өңдеу барысында немесе дыбыс техникасындағы сигналдарды күшейткен жағдайларда. Бұл міндеттерді шешу үшін, кернеуді, тоқты немесе әлсіз электр сигналдарының қуаттылықтарын күшейтуге арналған —

Қазіргі таңда, күшейткіштерде электр лампаларын алмастырған жартылай өткізгіш аспаптар кеңінен пайдаланылады:

Күшейткіштің өткізу жолағы деп, күшейткіштің амплитудалық- жиіліктік сипаттамасы (АЖС) сигналды оның үлгісін айтарлықтай өзгертусіз жеткізуді қамтамасыз ету үшін жеткілікті болатын шектегі, жиіліктер диапазоны аталады. Басқа сөздермен айтқанда, күшейткіш өткізу жолағы шегінде, әртүрлі жиіліктердің сигналдарын бірдей күшейтеді. Күшейткіштер

Күшейту коэффициенті кернеудің, тоқтың немесе қуаттылықтың кірістегіге қарағанда, шығыста қаншалықты ұлғайғанын көрсетеді. Мысалы, кернеу бойынша күшею коэффициенті

𝑈шығ

𝑈кір

Әдетте, күшею коэффицентін төенгі индекссіз

әрпімен белгілейді.

шығ

шығыс қуаттылығы.

Бұл

күшейткіштің шығыс жүктемелік кедергісінде жетілетін қуаттылық:

шығ

= І2шығ?

Бұрмалану берілген мәндерден аспайтын, жүктемедегі жетілдірілетін ең үлкен қуаттылық – номиналды шығыс қуаттылығы мәні де жиі пайдаланылады. Кіріс және шығыс кедергі. Күшейткіштің алдыңғы каскадының шығыс кедергісі және одан кейінгі күшейткіштің кіріс кедергісі кернеуді бөлушіні түзеді. Каскадтар арасында сигналды шығынсыз беру үшін, каскадтың шығыс кедергісі неғұрлым төмен болуы, ал каскадтың кіріс кедергісі неғұрлым жоғары болуы қажет.

ауыстырса және әрбір жиілікте күшейту коэффициенті жиілігін

анықтап отырса, 2.1-ші суретте берілген кестені аламыз. Бұл кестеден, төменгі жиіліктерде күшейту коэффициентінің минималды екендігін, сосын оның ұлғаятынын және жиіліктердің бірқатар диапазонында

max тең болып қалатынын, ал жоғары жиілік аймақтарында қайтадан төмендейтінін байқауға болады.

max

f

және f

жиіліктерінде кесіп өтеді. f

жиілігі төменгі шекаралық жиілік (немесе қиманың төменгі жиілігі) деп аталады. f

жиілігінен төмен жиіліктерде күшею коэффициенті үздіксіз кемиді. f

жиілігі жоғарғы шекаралық жиілік (немесе қиманың жоғарғы жиілігі) деп аталады. f

жиілігінен жоғары жиіліктерде күшею коэффициенті үздіксіз кемиді. Төменгі және жоғарғы жиіліктер арасындағы айырмашылық күшейткіштің өткізу жолағы деп аталады:

f = f

f

f

және f

шекаралық жиіліктерін кейде, жартылай қуаттылық жиіліктері, ал шекаралық нүктелерді – максималды мәнге қатысты жартылай қуаттылық нүктелері деп атайды. Шынымен де, қуаттылық кернеу шаршысына пропорционалды болса, қуаттылықтарға қатысты келесіні жазып алуға болады:

𝑈 max

max

𝑈 max

Пайдалы әрекеттер коэффициенті ƞ .

Пайдалы шығыс қуаттылығының Р шығ

барлық қуат көздері тұтынатын Р орт

қатынасымен анықталады:

ƞ =

Ршығ ;

реактивтік элементтердің болуынан әртүрлі жиіліктердегі күшейтулердің әртүрлі деңгейлеріне сәйкес пайда болған бұрмаланулар (индуктивті орам және конденсаторлар).

Фазалық бұрмаланулар.

Бұл күшейткіштің кіріс және шығыс кернеулері арасындағы фазаның жиіліктен ығысуына желілік емес тәуелділікпен пайда болған бұрмаланулар. Бұл бұрмаланудардың себебі күшейткіш сызбаларында реактивті элементтердің болуы

Желілік емес бұрмаланулар.

Күшейткіш элементтердің (транзисторлардың) вольт-амперлік сипаттамаларының желілік еместігінен пайда болады және күшейтілетін сигнал үлгісінің бұрмалануында пайда болады.

2.2-ші суретте күшейткіш шығысындағы

шығ бұрмаланған кернеуі көрсетілген. Аталмыш жағдайда бұрмалау 3-ші гармониканы енгізеді. Кестеде кіріс кернеуімен бірлей жиілікке ие пайдалы 1-ші гармоника (негізгі ауытқу) және үш еселенген жиілікті зиянды 3-ші гармоника көрсетілген. Тұтас сызықпен көрсетілген шығыс кернеуі, бұл екі гармониктердің сомасы болып табылады.

Күшейту коэффициенттері логарифмалық бірліктерді жиі көрсетіледі

(2.1)

белд ерде

2.2-сурет.        Күшейткіш        шықпасындағы синусоидалық кернеу қалпының бұрмалануы

Қуаттылық бойынша күшею коэффициенті, дБ:

Егер,

шығ

кір

ие болса, онда күшею коэффициенті 0 дБ тең. Егер,

шығ

>

кір

болса, онда күшею коэффициенті оң сан болады. Егер,

шығ

<

кір

шығ =

кір

болса, онда (2.1) келесідей жазылады:

10lg(2) = 3 дБ яғни, егер, шығыс кернеуі кіріс кернеуінен 2 есеге артық болса, онда қуаттылық бойынша күшею коэффициенті 3 дБ тең болады. Егер, 2.1 суреттегі графикке кері оралатын болсақ, 0,707 деңгейі бойынша қуаттылық максималды қуаттылықтың жартысын құрайды, ал бұл f

және f

шекаралық жиіліктеріндегі шығыс қуаттылығы өткізу жолағының максималдығымен салыстырғанда 3 дБ-ға төмендейді дегенді білдіреді.

Егер, Р шығ

кір (шығыс қуаттылығы кіріс қуаттылығынан 10 есе артық) болса, онда келесідей жазуға болады:

шығ

кір (шығыс қуаттылығы кіріс қуаттылығынан 100 есе артық) болса, онда келесідей жазуға болады:

шығ

кір (шығыс қуаттылығы кіріс қуаттылығынан 10 есе кем) болса, онда келесідей жазуға болады:

10lg(0,1) = -10 дБ.

Өйткені, қуаттылық кернеу шаршысына пропорционалды, онда кернеу арқылы қатынасты (2.1) қайтадан жазуға болады:

Егер,

шығ

= 10

кір (шығыс кернеуі кіріс кернеуінен 10 есе артық) болса, онда келесідей жазуға болады:

20lg (10) = 20 дБ.

Егер,

шығ

= 0,5

кір (шығыс кернеуі кіріс кернеуінен 2 есе төмен) болса, онда келесідей жазуға болады:

20lg(0,5) = -6 дБ.

Кернеу және қуаттылық бойынша күшею коэффициенттерін қарапайым ережені қолдана отырып есептеп шығаруға болады. Мысалы, кернеу бойынша 2 есе күшею коэффициенті 6 дБ-ға тең. Онда, кернеу бойынша 4 есе күшею коэффициенті (2 х 2) 6 +6 = 12 дБ.-ға тең болады. Кернеу бойынша 10 есе күшею коэффициенті 20 дБ-ға тең. Онда, кернеу бойынша 40 есе күшею коэффициенті (4 х 10) 12 + 20= 32 дБ.-ға тең болады. Осылайша, егер, күшею коэффициенті көбейткіштердің туындысы ретінде есептелсе, онда децибелдермен өлшенген күшею

коэффициенті қосындылардың сомасы болып анықталады.

2.2.1 Бір каскадты күшейткіштің типтік сызбасы

Биполярлық транзисторлардағы төменгі жиіліктегі күшейткіштер, дауыс күшейткіш, магнитафонның жазғыш бас тиегі, реле орамы, өлшеу аспабының орамы, атқарушы мезанизмдер және т.б. бола алатын шығыс құрылғысындағы берілген қуаттылықты қамтамасыз етуге арналған. Кіріс сигналының көздері, әдетте, әртүрлі электрлік емес шамаларды электрлік шамаларға түрлендіргіштер болады. Әдетте, кіріс сигналы өте аз, оның  шамасы шығыс құрылғысын басқару үшін жеткіліксіз, сондықтан кіріс сигналын күшейтеді. Қуаттылық бойынша ең таңдаулы күшейтуді ортақ эмиттері бар сызба қамтамасыз ететіндіктен, біз міне осы сызбаны бұдан әрі қарастыратын боламыз.

Биполярлық транзистордағы ортақ эмиттері бар типтік сызба 2.3- суретте ұсынылған. Күшейткіш каскадтағы элементтердің міндеттерін неғұрлым жақсы түсіну үшін, алдын-ала күшейткіштердің бірнеше сызбаларын қарастырамыз. 2.4, а суретте ортақ эмиттері және екі қуат беру көзі бар күшейткіш каскадтың сызбасы ұсынылған:

база тізбегінде (кіріс тізбегі) және

коллектор тізбегінде (шығыс тізбегі).

2.3-сурет. Биполярлы транзистордағы күшейткіш каскад

Екі қуат беру көзін  пайдалану міндетті емес,біреуімен  де шектелуге болады, және сонда күшейткіш сызбасы 2.4, б суретінде көрсетілгендей түрге ие болады. Бұл жерде қуат беру көзі

базалық және коллекторлық тізбектер   үшін  бірегей  болып   табылады.

қуат  көзі  базалық  және

2.4-сурет. Күшейткіштердің қарапайым сызбалары:

а

б

в

коллекторлық тізбектер үшін бірегей болып табылады.

коллекторлық тоғы

б

базалық тоғынан артық, бұл жерде β — база тоғын беру коэффициенті. Күшейткіштің шығыс коллекторлық желісін толығырақ қарастырайық. Күшейткіштің дұрыс жұмыс істеуі үшін белгілі бір коллекторлық тоқты және коллектор — эмиттер

белгілі кернеуін немесе жүктемелік қисық сызыққа жұмыс нүктесінің оңтайлы қалпын (тыныштық нүктесі) қамтамасыз ету қажет. Бұл транзистордың тоқты (кернеуді) тек ауыспалы кіріс кернеудің оң ғана емес, сонымен қатар теріс ауытқуларында да күшейту үшін қажет. Бұл үшін транзистордың базасына шамалы тұрақты кернеу беруі қажет немесе басқа сөздермен айтқанда база — эмиттер өтпесіне

тура ығысуын беруі қажет.

Жұмыс нүктесі жүктемелік қисық сызық пен транзистордың шығыс сипаттамасының қиысқан орнында болады.

коллекторлық өтпенің

кернеуіне тәуелділігін ұсынады. Жүктемелік қисық сызықтың теңестірілуін алу үшін, коллекторлық тізбекке қатысты

Бұл жерде -

= -Ек + U

(2.3)

к =

𝑅к Uкэ + Ек ;

Бұл  тура  сызықтың  теңестірілуі.  Осылайша,  аталмыш  жағдайда жүктемелік қисық сызық тура  сызық болып табылады. Тура  сызық аталмыш жағдайда

к

= 0 жағдайында (2.4) шарттан алынатын E к

нүктесіндегі көлденең өзекті қияды және

к max

к

к

нүктесінде

= 0 жағдайында алынатын тік өзекті қиып өтеді. Бұл тік сызықты транзистордың шығыс сипаттамаларын қоя отырып, 2.5-суретте бейнеленген графиканы алатын боламыз. Жұмыс нүктесін (тыныштық нүктесін) П әрпімен белгілейміз, ал

және

тыныштық нүктесі координаталары тыныштық тоғына және тыныштық кернеуіне сәйкес болады. Графикадағы

өйткені нөлге тең базалық тоқ жағдайында, коллектор тоғы болмайды. Тік өзек пен

деп аталады, өйткені бұл аймақта базалық тоқ ұлғайтылған жағдайда, коллектор тоғы ұлғаймайды. Транзистордың кесу аймағынан жоғары және қанығу аймағының оң жағына қарай орналасқан сипаттама учаскесі

белсенді

кернеуі өзгерген жағдайда, жұмыс нүктесі жүктеме бойынша тігінен жоғары  немесе төмен жылжитын болады.

Енді, біз

к кедергісін өзгерте отырып, жүктеме тік сызығының жоғарғы бөлігіндегі жұмыс нүктесі қалпын қамтамасыз еттік деп болжайық. Онда күшейткіштің кіреберісіне ауыспалы (синусоидтық) синалды берген жағдайда, коллекторлық тоқ тыныштық нүктесінің

маңында тұратын болады. Жұмыс нүктесі жүктемелік қисық сызықтың жоғарғы бөлігінде орналасқандықтан, синусоидтың жоғарғы бөлігі қанығу аймағына түседі және күшеймейтін болады, яғни 2.5, а суретте көрсетілгендей кіріс сигналының жоғарғы жарты толқындарының кесілуі орын алатын болады. 2.5, б суретте көрсетілгендей ығысу нүктесі графиктің төменгі бөлігінде орналасқан жағдайда, төменгі жарты толқындарының кесілуі орын алатын болады, яғни төменгі жарты толқындар кесу аймағына түседі және олардың күшеюі орын алмайтын болады. Жылжу нүктесіндегі кернеу жүктеме қисық сызығының ортасында болады, А сыныпты күшейткіш деп  аталады.  Жылжу  орнындағы  кернеу  қуат  кернеуінің  шамамен

жартысына тең болуы қажет, яғни

= 0,5

және тоқ

= 0,5

max

максималды мәнінің жартысына тең болады.

Тыныштық нүктесі жүктеме қисық сызығының ортасында болып табылатын күшейткіш, А сыныпты күшейткіш деп аталады.

Күшейткіштердің басқа да сыныптары болады, атап айтсақ:

және т.б. мысалы,

сыныпты күшейткіштің тыныштық нүктесі кесу аймағына қарай жылжытылған, ал  шығыс сигналы p

n

p-

және n

p

2.1-ші мысал. 2,4, б суреті сызбасында

= 10 мА, Р = 100 болсын.

коллектор және

база кедергісін, жылжуы кернеуі

= 6 В болатын тыныштық нүктесі үшін табу қажет, яғни қуат көзі кернеуінің тең жартысына тең болатын. Сызбада U

0,7 В болатын кремнийден жасалынған транзистор пайдаланылады. .

Шешім .

Коллектор тізбегі үшін жазамыз:

к = Ек−

𝑈к = Ік

Базалық тоқты табамыз:

б = Ік =

= 0,0001 А  = 0,1 мА;

База тізбегі үшін жазуға болады:

б = Ек−

Сонымен біз күшейткіштің жұмыс нүктесін талап етілген жылжуын қамтамасыз   ететін   коллекторлық   және   базалық   резисторлардың номиналдарын таптық. 2.4, б суретте көрсетілген сызбаның тұрақтылығын қарастырайық. (2.6) теңдеуден келесіні аламыз:

б =

≈ Rб Ек ;

(2.7) Rб

𝑈

мәні  E

көзі кернеуіне ғана тәуелді екендігін көрсетеді. База тоғы тұрақты болатын мұндай сызбалар,

тіркелген жылжулы сызбалы деп аталады. Оларда коллектор тоғының бақыланбайтын өзгерістеріне байланысты тұрақтылықтары нашар болады. Коллектор тоғы әртүрлі сыртқы факторлардың ықпалымен өзгеріп отыруы мүмкін. Мысалы, ол транзисторды        дайындау        барысындағы        рұқсаттарға, транзисторлардың температуралық қызуларына және т.б. байланысты өзгеріп отыруы мүмкін. Егер, коллектор тоғы өзгерсе, онда бұл

кернеуінің өзгеруіне алып келеді. Бұл (2.5) теңдеуден алынған келесі теңдеуден белгілі болады:

ұлғайған жағдайда жұмыс нүктесі кесу аймағына қарай жылжиды, ал кеміген жағдайда

Күшейткіштің жұмысының тұрақтылығын арттыру тәсілдерінің бірі, эмиттерлік тізбекке

қосымша резисторын енгізу болып табылады. Бұл тәсілді толығырақ қарастырайық. 2.4, в суретінде

(2.9)

келесі ұсынылғандай жазу мүмкіндігін ескереміз,

= Еб

−𝑈б ?б ?э ;

(2.10) ?э

(2.10)  көріністен  күшейткіште

резисторы  арқылы  база  мен коллектор тоқтары арасында теріс кері байланыстың пайда болғанын

көреміз. Шынымен де, (2.10) теңдеуден