Активные электронные компоненты

К активным элементам относят электронные приборы, в которых проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся в вакууме (электровакуумные приборы), газе (газонаполненные приборы) или полупроводнике (полупроводниковые приборы). Для работы электронных приборов на них подается питание — постоянное напряжение.

6.4.1. Электровакуумные электронные компоненты

Принцип работы электровакуумных приборов основан на движении электронов в вакууме. Электровакуумный диод (рис.6.1,а) представляет собой колбу с выкачанным воздухом, в которую введены два электрода: катод и анод.

Анод

При положительном напряжении на аноде относительно катода по диоду протекает ток, в противном случае ток отсутствует. В случае, когда диод обладает односторонней проводимостью, это позволяет использовать его в качестве выпрямителя. В электровакуумном триоде введен дополнительный электрод — сетка, благодаря которой триод обладает возможностью усиливать сигналы (рис.6.1,б). Электровакуумные приборы имеют большие размеры, требуют высоких питающих напряжений, имеют малый кпд. В современных НРЭС они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами.

Электровакуумные лампы в настоящее время применяются в устройствах большой мощности, которую не могут обеспечить полупроводниковые приборы.

6.4.2. Полупроводниковые электронные компоненты

Принцип работы полупроводниковых КЭ основан на свойствах p–n-перехода. Полупроводники относятся к четвертой группе таблицы Менделеева, занимая промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по способности проводить электрический ток.

Чистые полупроводники (германий, кремний, селен) имеют удельное сопротивление от единиц до сотен тысяч Ом·м. Для увеличения электропроводности в них добавляют примеси. Примеси из пятой группы создают электронную проводимость (избыток свободных электронов), примеси из третьей группы — дырочную проводимость (дырка — условное понятие, обозначающее носитель свободного положительного электрического заряда, численно равного заряду электрона). В каждом типе полупроводника наряду с основными носителями существуют и неосновные носители зарядов — дырки в полупроводнике n-типа и электроны в полупроводнике р-типа, однако их концентрация значительно меньше, чем концентрация основных носителей. Удельное сопротивление примесных проводников составляет миллионные доли Ом·м.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, другой — дырочную проводимость. До соприкосновения электроны, дырки и неподвижные ионы распределены равномерно, т. е. полупроводники электрически нейтральны. При соединении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок, в результате чего образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов, т. е. обладающий высоким электрическим сопротивлением (запирающий слой). В нем создается контактная разность потенциалов — потенциальный барьер, обусловленный наличием неподвижных ионов, отрицательно заряженных в области р и положительно заряженных в области n. Этот потенциальный барьер препятствует прохождению электронов и дырок через р–n-переход. Если приложить внешнее напряжение положительной полярности к n-области и отрицательной к p-области (обратное напряжение), то внешнее электрическое поле окажется одинаковой направленности с потенциальным барьером и движения зарядов через переход не будет (переход обладает большим сопротивлением, такое состояние называют закрытым). Если поменять полярность напряжения (прямое напряжение), то внешнее электрическое поле компенсирует потенциальный барьер и создаст условия для прохождения электрических зарядов через переход (дырок из р-области и электронов из n-области), запирающий слой исчезает, сопротивление перехода мало, такое состояние перехода называют открытым. Следовательно, р–n-переход обладает односторонней проводимостью.

Ток через открытый переход (рис.6.2) составляет десятки мА при напряжении единицы вольт, ток через закрытый переход обусловлен наличием неосновных носителей зарядов и составляет единицы микроампер при обратном напряжении десятки вольт. При больших значениях обратного напряжения возникает электрический пробой — разрушение структуры
р–n - перехода.

Полупроводниковые диоды.Полупроводниковый диод (рис.6.3) — это полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом и двумя выводами. Наиболее распространенными являются выпрямительные диоды, принцип работы которых основан на использовании свойства односторонней проводимости p–n-перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока путем формирования огибающей его максимальных значений. Основные параметры выпрямительных диодов:

– прямое напряжение — единицы или десятки вольт;

– максимально допустимый прямой ток — десятки мА;

– максимально допустимое обратное напряжение диода – десятки сотни вольт,

– обратный ток — единицы мкА.

Специальные типы диодов:

– стабилитроны — используют явление электрического пробоя p-n-перехода и предназначены для стабилизации напряжения;

– варикапы — предназначен для создания электрической емкости, управляемой напряжением;

– светодиоды — преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе электролюминесценции.

Биполярные транзисторы. Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два
p–n-перехода и три вывода, пригодный для усиления мощности (рис.6.4). Он состоит из трех областей электропроводности. Структура транзистора — n–p–n или p–n–p. Одну из крайних областей, предназначенную для эмиссии носителей зарядов, называют эмиттером (э), среднюю область, предназначенную для прохождения носителей зарядов, называют базой (б), третью область, предназначенную для сбора носителей зарядов, называют коллектором (к). Коллектор имеет тот же тип проводимости, что и эмиттер, но концентрация носителей зарядов в эмиттере выше.

Принцип усиления транзистором p–n–p типа заключается в следующем. Первый p–n-переход эмиттер–база включают в прямом направлении (напряжение эмиттер–база — единицы вольт), при этом дырки из эмиттера переходят в базу и соединяются с электронами базы, образуя базовый ток. Базу выполняют тонкой, с малой концентрацией электронов, при этом только малая часть дырок (0,1–0,01 часть общего числа) воссоединяются с электронами. Остальные дырки достигают второго p–n-перехода (база-коллектор). Этот переход включают в обратном направлении (напряжение база-коллектор - десятки вольт), открывая тем самым путь «дыркам» для перехода из базы в коллектор. В результате ток коллектора составляет 0,9–099 тока эмиттера. Основными токовыми параметрами транзистора являются: отношение тока коллектора к току эмиттера базы a = 0,9–0,99 и отношение тока коллектора к току базы b = 9–99.

Входная цепь включает переход база–эмиттер, который имеет малое сопротивление (единицы или десятки Ом), выходная цепь включает переход база–коллектор, он имеет большое сопротивление (десятки или сотни кОм), а входной ток (ток эмиттера) практически равен выходному току (току коллектора). Поэтому мощность сигналов Р= I²R в выходной цепи много больше мощности сигналов во входной цепи, т. е. в транзисторе происходит усиление мощности подводимого сигнала.

В настоящее время широко применяются канальные (полевые) транзисторы, выгодно отличающиеся от биполярных более высокими рабочими частотами. Транзисторы используются в устройствах обработки аналоговых сигналов (усилителях, модуляторах, генераторах сигналов).

6.4.3. Интегральные микросхемы

Интегральные микросхемы подразделяют на следующие виды:

1. Микросхемы цифровые:

1.1. Микросхемы логические, включая логические элементы, триггеры и схемы цифровых устройств.

1.2. Микросхемы запоминающих устройств.

1.3. Микросхемы вычислительных средств, включая микропроцессоры, микроЭВМ, цифровые процессоры обработки сигналов и контроллеры

1.4. Микросхемы интерфейса, включая схемы для организации локальных вычислительных сетей.

1.5. Базовые матричные кристаллы и микросхемы на их основе, программируемые логические интегральные микросхемы.

1.6. Микросхемы цифровые прочие.

2. Микросхемы аналоговые:

2.1. Усилители.

2.2. Коммутаторы и ключи.

2.3. Компараторы.

2.4. Преобразователи сигналов.

2.5. Формирователи, модуляторы, детекторы и генераторы.

2.6. Микросхемы для источников вторичного электропитания.

2.7. Микросхемы аналоговые прочие.

2.8. Фильтры.

3. Микросхемы интегральные аналого-цифровые и цифро-аналоговые:

3.1. Преобразователи аналого-цифровые.

3.2. Преобразователи цифро-аналоговые.

3.3. Микросхемы аналого-цифровые и цифроаналоговые прочие.

4. Микросхемы преобразователей физических величин и компонентов датчиков.

ИМС — изделие, содержащее активные элементы (диоды, транзисторы) и пассивные элементы (резисторы, конденсаторы), которые изготавливаются в объеме и на поверхности полупроводника, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и составляют неразделимое целое. Достоинством ИМС являются малые габариты и экономичность (малое потребление энергии), однако они не- способны генерировать высокие мощности.

Аналоговые ИМС предназначены для обработки аналоговых сигналов, на их базе создают усилители, генераторы и другие устройства.

Цифровые ИМС предназначены для обработки двоичных (цифровых) сигналов, на их базе создают различные устройства цифровой обработки сигналов.

6.4.4. Микропроцессоры и микро-ЭВМ

Процессор — это устройство обработки цифровой информации, осуществляемой с помощью установленной в него программы.

Микропроцессор (МП) — это процессор, выполненный по интегральной технологии в одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС), т. е. это цифровая ИС, предназначенная для выполнения последовательности операций над двоичными данными. Например, МП серии 580 КР580ИК80 содержит 5000 транзисторов и выполнен в одном кристалле БИС. В МП информация представляется в двоичном виде — последовательностью из двух элементов: «1» и «0». Каждый элемент содержит 1 бит информации. 8 бит образуют 1 байт. МП принимает информацию (данные, команды управления) в виде кодовых слов — определенного количества бит, воспринимаемое при обработке как единое целое и хранящееся в одной ячейке памяти. Длина кодового слова зависит от типа МП и составляет 4–32 бит. Различные операции, которые может выполнять МП, называются а последовательность команд — программой. МП являются центральными устройствами, микроЭВМ и микроконтроллеров (управляющих устройств), которые применяются в радиоэлектронной аппаратуре. Структура МП представлена на рис. 6.5.

реализует арифметические и логические операции над двоичными числами.

Регистры (Р) служат для хранения и выдачи команд программы, адресов и данных. Устройство управления (УУ) служит для преобразования команд в сигналы, воздействующие на элементы МП (синхронизация, чтение данных, запись и т. п.).

Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами с помощью шин. Шина представляет собой набор параллельных проводников, объединенных по функциональному назначению.

В МП различают три основные шины: шину данных (ШД), шину адресов (ША) и шину управления (ШУ).

ШД используется для обмена данными между МП и другими элементами системы. ША используется для указания ячеек памяти при считывании или записи данных. ШУ используется для передачи сигналов управления и синхронизации.

Основные характеристики МП:

– разрядность кодового слова, бит;

– объем памяти, байт;

– число подключаемых внешних устройств;

– быстродействие, определяемое частотой генератора тактовых импульсов.

Для работы МП в радиоэлектронном оборудовании необходимо связать его с другими устройствами. Связь осуществляется с помощью интерфейсов. Для хранения программ и данных необходимы устройства памяти — запоминающие устройства (ЗУ).

Для создания микроЭВМ (МП-системы) необходимо добавить устройство ввода–вывода (УВВ), предназначенное для обмена информацией между внешними устройствами и процессором, ЗУ — для приема, хранения и выдачи программы и данных и генератор тактовых импульсов (ГТИ) — для синхронизации работы всех блоков системы (рис.6.6).

УВВ представляют собой интерфейсы — устройства сопряжения, обеспечивающие конструктивную (механическое соединение), электрическую (уровни электрических сигналов, соответствующих логическим «1» и «0», и скорость передачи) и программную (код, метод синхронизации).

Обмен данными может осуществляться последовательно — бит за битом по одному проводу или параллельно — одновременно все биты кодового слова, каждый по своему проводу.

Рис. 6.6. Архитектура микроЭВМ

В ЗУ различают ПЗУ (ROM — Read Only Memory) — постоянное ЗУ и ОЗУ (RAM — Random Access Memory) — оперативное ЗУ. В ПЗУ хранится постоянная информация, введенная в процессе изготовления МП (например, программа, по которой работает МП). МП может только считывать информацию из ПЗУ. ОЗУ используется для временного хранения информации (от МП, клавиатуры). Информация в ОЗУ теряется при отключении питания, поэтому такую память называют энергозависимой. В ПК имеется также внешнее ЗУ (диски), куда загружают различные программы и данные.

Контрольные вопросы

1. Составьте классификацию электронных компонентов радиоэлектронных систем.

2. Перечислите активные электронные компоненты.

3. Перечислите основные характеристики полупроводниковых диодов.

4. Перечислите основные характеристики транзисторов.

5. Укажите преимущества полупроводниковых приборов по сравнению с электронно-вакуумными.

6. Перечислите области применения микропроцессоров.

7. Укажите основные характеристики микропроцессоров.

Заключение

Электронное учебное пособие разработано в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом по уровню специалитета.

В электронном учебном пособии содержатся методические указания по изучению данной дисциплины.

Содержание данного электронного учебного пособия соответствует рабочей программе дисциплины и основано на материалах отечественных и зарубежных исследований, включая современные публикации.