Elektronika 1 FEIT Past Paper Questions - 3ZED20

Elektronika 1. FEIT tretı́ semester, otázky ku skúške Riec 11. januára 2022 1 11. januára 2022 3ZED20 Riec Obsah 1 Fyzikálne základy polovodičov, driftový, difúzny prúd....

Elektronika 1. FEIT tretı́ semester, otázky ku skúške Riec 11. januára 2022 1 11. januára 2022 3ZED20 Riec Obsah 1 Fyzikálne základy polovodičov, driftový, difúzny prúd. 4 2 PN priechod, matematický model polovodičovej diódy, ideálna a reálna VA charakteristika PN priechodu. 6 3 Vlastnosti diódy v priepustnom a nepriepustnom stave, druhy diód (prı́klady použitia). 7 4 Bipolárne tranzistory, fyzikálna podstata (základná štruktúra, režimy činnosti), zosilňovacı́ tranzistorový efekt. 9 5 Zapojenie tranzistora so SE, SB, SC, základné vlastnosti zapojenı́, vzájomné porovnanie vlastnostı́. 10 6 Náhradný model tranzistora, matematický a fyzikálny opis lineárneho a ne- lineárneho modelu tranzistora. 11 7 Vlastnosti MOS kapacitora, geometrický model tranzistora MOSFET, kva- litatı́vne zmeny v štruktúre NMOS. 12 8 Lineárna oblast’ VA charakteristı́k NMOS tranzistora. 13 9 Saturačná oblast’ VA charakteristı́k NMOS tranzistora. 14 10 JFET tranzistory, výstupná VA charakteristika. 16 11 Jednostupňový zosilňovač s tranzistorom, základné schémy pre zapojenia so SE, SB, SC. 17 12 Návrh pracovného bodu tranzistorového zosilňovača, pracovná trieda, obvo- dové riešenie. 18 13 Stabilizácia pracovného bodu tranzistorového zosilňovača, prı́čina posuvu pracovného bodu tranzistorového stupňa, metódy stabilizácie. 19 14 Výkonový zosilňovač triedy A, analýza výkonového zosilňovača, určenie účinnosti, požiadavky na tranzistor. 19 15 Výkonový zosilňovač triedy B, AB, druhy dvojčinných zapojenı́, analýza výkonového zosilňovača, určenie účinnosti, požiadavky na tranzistory. 21 16 Zosilňovač so spätnou väzbou a jeho základná charakteristika. 23 17 Vplyv spätnej väzby na vlastnosti zosilňovača, kolı́sanie zosilnenia, frekvenčné charakteristiky. 25 18 Oscilátory harmonického signálu, podmienka vzniku osciláciı́, RC-oscilátory, trojbodové zapojenie. 26 2 11. januára 2022 3ZED20 Riec 19 Viacstupňové zosilňovače, väzba medzi stupňami, kombinované zosilňovače. 26 20 Diferenčný tranzistorový stupeň, súhlasné a diferenčné zosilnenie, potlačenie súhlasného napätia. 31 21 Prenosová charakteristika, rýchlost’ nábehu napätia, ofset, teplotný a napät’ový drift diferenčného stupňa. 33 22 Operačný zosilňovač – princı́p činnosti, základná štruktúra, idealizované vlast- nosti 34 23 Invertujúce a neinvertujúce zapojenie s OZ, analýza zapojenı́ 34 24 Zjednodušená schéma operačného zosilňovača. 36 25 Aplikácie s operačným zosilňovačom. 36 26 Ideálny a reálny spı́nač, tranzistorový spı́nač s bipolárnym tranzistorom. 38 27 Statická analýza tranzistorového spı́nača. 40 28 Dynamická analýza tranzistorového spı́nača, metódy zrýchlenia spı́nacı́ch in- tervalov. 41 29 Fotoelektronické prvky: fotodióda, fototranzistor, fotorezistor 42 30 Fotoelektronické prvky: LED dióda 44 3 11. januára 2022 3ZED20 Riec Otázky: 1 Fyzikálne základy polovodičov, driftový, difúzny prúd. Hustotu vol’ných elektrónov v polovodiči je daná vzt’ahom: Jednotlivé materiály majú svoju vlastnú energiu zakázaného pásma. Monokryštál kremı́ku: Pre znı́ženie energie zakázaného pásma môžme do kremı́ka dat’ prı́mes materiálu s 5/3 valenčnými elektrónmi.(typ P a typ N): 4 11. januára 2022 3ZED20 Riec Co všetkých polovodičoch musı́ ostat’ zachovaná elektrická rovnováha: Kombináciou prı́mesi akceptorov aj donorov dostávame energiu pre prekročenie zakázaného pásma: Pokial’ máme vo vodiči vol’ne nosiče elektrického náboja, tak vplyvom elektromagnetického pol’a sa vyvolá ich tok(driftový prúd) Difúzny prúd vzniká tým že vol’né elektróny a diery sa snažia vzájomne vykompenzovat’, je obmedzený len na malý priestor 5 11. januára 2022 3ZED20 Riec Celkový prúd v polovodičoch je superpozı́ciou driftového a difúzneho prúdu. 2 PN priechod, matematický model polovodičovej diódy, ideálna a reálna VA charakteristika PN priechodu. PN prechod vzniká spojenı́m polovodičového materiálu typu P(akceptorové atómy) a typu N(donorové atómy) Matematický model odvodil Shockley, má nelineárnu VA char. a pochádza z rovnice konti- nuity q · Uj   J = JS · e k · T − 1 kde: Uj je napájacie napätie na prechode, T je teplota, q je náboj, k je SB konštanta, JS je saturačná prúdová hustota 6 11. januára 2022 3ZED20 Riec 3 Vlastnosti diódy v priepustnom a nepriepustnom stave, druhy diód (prı́klady použitia). 7 11. januára 2022 3ZED20 Riec Nepriepustný stav: 8 11. januára 2022 3ZED20 Riec Druhy diód: polovodičová dióda, zenerová dióda, šotkyho dióda, LED 4 Bipolárne tranzistory, fyzikálna podstata (základná štruktúra, režimy činnosti), zosilňovacı́ tranzistorový efekt. V tranzistore sa použı́vajú dva druhy vol’ných nosičov náboja elektróny i diery, preto ho- vorı́me o bipolárnom tranzistore. Jednotlivé vrstvy tranzistorovej štruktúry majú svoje mená, emitor (označujeme E), báza (B), kolektor (C). Bipolárne tranzistory majú dva PN priechody. V elektrických obvodoch každý z týchto priechodov môže byt’ zapojený v priepustnom alebo nepriepustnom smere. Rozoznávame štyri možné režimy činnosti tranzistora: - Nevodivý režim: Obidva priechody sú orientované v nepriepustnom smere. Tranzistorom prechádza iba nepatrný prúd. - Nasýtený režim: Obidva priechody sú orientované v priepustnom smere. Tranzistorom prechádza maximálny prúd. - Aktı́vny režim: Priechod E-B je orientovaný priepustne, priechod B-C je orientovaný ne- priepustne. - Inverzný režim: Priechod B-C je orientovaný priepustne, priechod B-E je orientovaný nepriepustne. 9 11. januára 2022 3ZED20 Riec Tranzistorový efekt: Na zabezpečenie zosilňovacieho efektu je potrebné splnit’ nasledujúce technologické požiadavky: Vrstva emitora musı́ mat’ podstatne väčšiu koncentráciu prı́mesı́ ako vrstva bázy. Pri PNP to znamená, že koncentrácia akceptorov vo vrstve emitora je omnoho väčšia ako koncentrácia donorov vo vrstve bázy. Pri NPN je koncentrácia donorov vo vrstve emitora podstatne väčšia ako koncentrácia akceptorov vo vrstve bázy. Hrúbka prostrednej bázy má byt’ vel’mi malá, menšia ako difúzna dĺžka dier emitorovej vrstvy PNP tranzistora resp. difúzna dĺžka elektrónov emitorovej vrstvy tranzistora NPN 5 Zapojenie tranzistora so SE, SB, SC, základné vlast- nosti zapojenı́, vzájomné porovnanie vlastnostı́. 10 11. januára 2022 3ZED20 Riec 6 Náhradný model tranzistora, matematický a fyzikálny opis lineárneho a nelineárneho modelu tranzistora. 11 11. januára 2022 3ZED20 Riec 7 Vlastnosti MOS kapacitora, geometrický model tran- zistora MOSFET, kvalitatı́vne zmeny v štruktúre NMOS. 12 11. januára 2022 3ZED20 Riec 8 Lineárna oblast’ VA charakteristı́k NMOS tranzistora. 13 11. januára 2022 3ZED20 Riec W iDS = µn COX ′′ (uGS − UT N )uDS L 9 Saturačná oblast’ VA charakteristı́k NMOS tranzis- tora. 14 11. januára 2022 3ZED20 Riec Kn′ W iDS = (uGS − UT N )2 2L 15 11. januára 2022 3ZED20 Riec 10 JFET tranzistory, výstupná VA charakteristika. Existujú dva druhy JFET a to JFET s kanálom N a JFET s kanálom P. Tranzistor JFET má tri elektródy označené hradlo G (gate), kolektor D (drain) a emitor S (source). Základom JFET je polovodičová doštička s nevlastnou vodivost’ou typu N (prı́padne P). Do dolnej a hornej steny základnej doštičky sú vytvorené silne dotované oblasti opačného typu vodivosti. To znamená ak má základná doštička vodivost’ typu N, budú v nej vytvorené oblasti typu P+. Elektróda Source (S) je zdrojom vol’ných nosičov privádzaných z vonkajšieho obvodu do kanálu. 16 11. januára 2022 3ZED20 Riec 11 Jednostupňový zosilňovač s tranzistorom, základné schémy pre zapojenia so SE, SB, SC. 17 11. januára 2022 3ZED20 Riec 12 Návrh pracovného bodu tranzistorového zosilňovača, pracovná trieda, obvodové riešenie. Jednosmerné obvodové veličiny zabezpečujú nastavenie pracovného bodu tranzistora. Na- stavit’ pracovný bod tranzistora znamená obvodovými komponentmi zosilňovača zabezpečit’ požadované hodnoty prúdov elektród a napätı́ priechodov tranzistora. Podl’a polohy pracovného bodu sa rozlišujú zosilňovače triedy A, AB, B, C a D. Trieda A je charakterizovaná tým, že sa signál obidvoch poları́t zosilňuje približne lineárne jediným tranzis- torom. Majú nı́zku účinnost’ a preto sa použı́vajú len pre malé výstupné výkony (η= 25 - 50 % účinnost’ zosilňovačov triedy AB a B je podstatne vyššia (η= 80 %). Je to spôsobené potrebou omnoho menšieho pokojového prúdu, ako je max. amplitúda požadovaného výstupného prúdu. Zosilňovače triedy C sa v analógovej technike použı́vajú len výnimočne, pretože výstupný prúd je v dôsledku nelineárneho pracovného režimu extrémne skreslený. 18 11. januára 2022 3ZED20 Riec 13 Stabilizácia pracovného bodu tranzistorového zosilňovača, prı́čina posuvu pracovného bodu tranzistorového stupňa, metódy stabilizácie. Ciel’om stabilizácie pracovného bodu zosilňovača je udržat’ nezmenenú polohu pracovného bodu danú súradnicami jednosmerných napätı́ tranzistora. Zmenu polohy pracovného bodu následkom kolı́sania napätia napájania možno potlačit’ dobrou stabilizáciou napätia napájania (stabilizátory zdrojov napájania). Zmena polohy pracovného bodu následkom zmeny teploty sa potláča stabilitou kolektorového prúdu t.j. potláča sa vplyv zvyškového prúdu a teplotného driftu napätia emitorového priechodu tranzistora. Známe sú nasledujúce metódy stabilizácie: jednosmerná prúdová záporná spätná väzba, zaradenie kompenzačnej diódy v emitorovom obvode tranzistora, použitie zdroja konštantného prúdu vo výstupnom obvode tranzistora (prúdové zrkadlo). 14 Výkonový zosilňovač triedy A, analýza výkonového zosilňovača, určenie účinnosti, požiadavky na tran- zistor. Triedenie podl’a výkonových stupňov: Jednočinné zosilňovače sú spravidla osadené jedným výkonovým tranzistorom Dvojčinné zosilňovače sú spravidla osadené jedným výkonovým tranzistorom Triedenie podl’a polohy pracovného bodu na dynamickej výstupnej charakteristike výkonového stupňa: Trieda A - poloha pracovného bodu je v strede dynamickej charakteristiky Trieda B - jednosmerný pracovný prúd rovný nule (na vstupe zosilňovača nie je prı́tomný signál), zosilňuje len jednu polaritu signálu 19 11. januára 2022 3ZED20 Riec Trieda AB - požiadavka na nı́zke skreslenie signálu výkonového stupňa 20 11. januára 2022 3ZED20 Riec 15 Výkonový zosilňovač triedy B, AB, druhy dvojčinných zapojenı́, analýza výkonového zosilňovača, určenie účinnosti, požiadavky na tranzistory. 21 11. januára 2022 3ZED20 Riec 22 11. januára 2022 3ZED20 Riec 16 Zosilňovač so spätnou väzbou a jeho základná cha- rakteristika. 23 11. januára 2022 3ZED20 Riec 24 11. januára 2022 3ZED20 Riec Zosilňovač so spätnou väzbou a jeho základná charakteristika: u′2 = K1 · ug + K2 · A0 · u1 u1 = K3 · ug + K4 · A0 · u1 u′2 K2 · K3 · A0 A′ext = = K1 + ug 1 − K4 · A0 17 Vplyv spätnej väzby na vlastnosti zosilňovača, kolı́sanie zosilnenia, frekvenčné charakteristiky. 25 11. januára 2022 3ZED20 Riec 18 Oscilátory harmonického signálu, podmienka vzniku osciláciı́, RC-oscilátory, trojbodové zapojenie. Elektronický obvod, ktorý je zdrojom harmonického signálu sa nazýva oscilátor. Štruktúra oscilátora obsahuje dva typy prvkov: aktı́vny elektronický prvok (tranzistor, tunelová dióda, operačný zosilňovač, atd’.), pası́vne prvky R, L, C, ktoré určujú frekvenciu kmitov oscilátora. Podmienkou vzniku a udržania netlmeného harmonického signálu je kladná spätná väzba. Základné parametre oscilátora sú: frekvencia oscilátora, stabilita amplitúdy a frekvencie os- cilátora, preladitel’nost’ oscilátora. Medzu osciláciı́ určujeme z podmienky F = 0. amplitúdová podmienka osciláciı́: β(jω) · A(jω) = 1 fázová podmienka osciláciı́: φβ + φA = 0 19 Viacstupňové zosilňovače, väzba medzi stupňami, kom- binované zosilňovače. Sú 4 druhy väzbových členov: 26 11. januára 2022 3ZED20 Riec 27 11. januára 2022 3ZED20 Riec 28 11. januára 2022 3ZED20 Riec Zapojenı́m sa dá znı́žit’ výstupný odpor Vysoké výkonové zosilnenie Zapojenı́m sa zvyšuje odpor Vysoké prúdové a výkonové zosilnenie 29 11. januára 2022 3ZED20 Riec 30 11. januára 2022 3ZED20 Riec 20 Diferenčný tranzistorový stupeň, súhlasné a diferenčné zosilnenie, potlačenie súhlasného napätia. Majú význam v obvodovej technike, predovšetkým ako zosilňovače jednosmerného napätia. Výstupné napätie je úmerné rozdielu napätı́ medzi vstupnými svorkami zosilňovača Vstupné zložky u1 a u2 sa dajú rozdelit’ na dve zložky: Diferenčné vstupné napätie ud = u1 − u2 31 11. januára 2022 3ZED20 Riec Súhlasné vstupné napätie u1 + u2 us = 2 sú prı́tomné na obidvoch vstupných svorkách s rovnakou amplitúdou a fázou, nezosilňujú sa. Toto sa využı́va pri jednosmernej väzbe zosilňovacı́ch stupňov a v meracı́ch zosilňovačoch na potlačenie súhlasných rušivých napätı́. Diferenčné a súhlasné vstupné napätia spracováva symetrické zapojenie diferenčného zo- silňovača odlišným spôsobom. h21 Rc Ads = Rg + h11 32 11. januára 2022 3ZED20 Riec 21 Prenosová charakteristika, rýchlost’ nábehu napätia, ofset, teplotný a napät’ový drift diferenčného stupňa. Symetrické zapojenie diferenčného zosilňovača má vel’ké potlačenie driftu. Všetky rovnako rušivé vplyvy a driftové veličiny, ktoré pôsobia na obidva tranzistory v rovnakom zmysle (tep- lotný drift, kolı́sanie napájacieho napätia, zmeny parametrov tranzistorov) pôsobia ako súhlasný signál a vyvolávajú vel’mi malý signál na výstupe. Vplyvom teploty bipolárneho tranzistora sa menı́ napätie emitorového priechodu o ∆UBE ≈ −2 ∼ 3 mV K −1. Driftové napätie nemusı́ byt’ rovnaké u obidvoch tranzistorov. Vzniká potom malé diferenčné napätie ktoré sa zosilňuje ako diferenčný signál. ∆UF nazývame drift vstupného ofsetového napätia. Úplne symetrické dife- renčné zosilňovače sa nedajú realizovat’. Preto aj pri nakrátko spojených vstupných svorkách zosilňovača je na výstupe určité napätie. Takéto napätie nazývame ofsetové napätie. Aj toto napätie má drift. Ofsetové napätie možno potlačit’ pripojenı́m malého diferenčného napätia na vstupné svorky zosilňovača. Teplotná závislost’ vstupného ofsetového napätia integrovaných diferenčných zosilňovačov sa pohybuje rádovo 1 až 100 µV K −1. ∆UF = ∆UBE1 − ∆BE2 33 11. januára 2022 3ZED20 Riec 22 Operačný zosilňovač – princı́p činnosti, základná štruktúra, idealizované vlastnosti Operačné zosilňovače “vedia” sčı́tat’, odčı́tat’, menit’ znamienko, vytvárat’ rôzne časové prie- behy, tvarovat’ signál. Patria medzi najrozšı́renejšiu skupinu analógových obvodov. Základným parametrom operačných zosilňovačov napätia (prúdu) je to,že ich výstupné napätie je úmerné rozdielu vstupných napätı́ (prúdov). Vyrábajú sa použitı́m monolitickej technológie (na jednom čipe), čo zabezpečuje ich relatı́vne nı́zku cenu. OZ predstavuje napätı́m riadený zdroj napätia s otvorenou slučkou spätnej väzby AOL (Open Loop Gain). Zmena napätia na neinvertujúcom (invertujúcom) vstupe spôsobı́ zmenu výstupného napätia v rovnakom (opačnom) zmysle. Ak hodnota napätia na neinvertujúcom (+) vstupe smeruje do kladnejšı́ch hodnôt ako na invertujúcom (-) vstupe potom napätie na výstupe smeruje do kladných hodnôt. 23 Invertujúce a neinvertujúce zapojenie s OZ, analýza zapojenı́ Invertujúce zapojenie (meniace fázu signálu) OZ je tvorené operačným zosilňovačom a spätnou rezistorovou väzbou R1 a R2. Chceme zistit’ napät’ové zosilnenie AU , vstupný od- por RIN a výstupný odpor ROU T. 34 11. januára 2022 3ZED20 Riec Zosilnenie invertujúceho zosilňovača s ideálnym operačným zosilňovačom U2 R2 AlN i = =− U1 R1 Zosilnenie neinvertujúceho zosilňovača s ideálnym operačným zosilňovačom U2 R2 AN i = =1+ U1 R1 Kde AN i nie je totožné so zosilnenı́m samotného operačného zosilňovača A 35 11. januára 2022 3ZED20 Riec 24 Zjednodušená schéma operačného zosilňovača. 25 Aplikácie s operačným zosilňovačom. 36 11. januára 2022 3ZED20 Riec Pre ktorý platı́: U0 R4 R2   Adif = = 1+2 Ui R3 R1 37 11. januára 2022 3ZED20 Riec Úlohou je dvojstavovo vyhodnocovat’, či neznáme napätie je väčšie alebo nie ako hodnota referenčného napätia 26 Ideálny a reálny spı́nač, tranzistorový spı́nač s bi- polárnym tranzistorom. Ideálny spı́nač má v rozpojenom stave nekonečne vel’ký odpor ROF F a v zapnutom stave nulový odpor RON. Ideálny spı́nač predstavuje bezstratový prvok, lebo v rozopnutom/zopnutom stave: P = ui = 0 Na zát’ži RZ je pri zopnutom spinaci S vykon: U2 PR = = I 2 · RZ RZ 38 11. januára 2022 3ZED20 Riec Reálny tranzistorový spı́nač má v saturácii úbytok 0.3-0.5V Na spol’ahlivé zopnutie musı́me zabezpečit’ dostatočné bázové napätie 39 11. januára 2022 3ZED20 Riec 27 Statická analýza tranzistorového spı́nača. 40 11. januára 2022 3ZED20 Riec 28 Dynamická analýza tranzistorového spı́nača, metódy zrýchlenia spı́nacı́ch intervalov. 41 11. januára 2022 3ZED20 Riec 29 Fotoelektronické prvky: fotodióda, fototranzistor, fo- torezistor Fotodióda - Fotodióda je polovodičová dióda konštrukčne riešená tak, aby na jej priechod PN mohlo dopadat’ svetlo. Pre meracie a komunikačné účely sú fotodiódy jedným z najviac 42 11. januára 2022 3ZED20 Riec rozšı́rených fotodetektorov z dôvodu výbornej linearity, nı́zkeho šumu, výhodných spektrálnych a frekvenčných charakteristı́k. Voltampérové charakteristiky fotodiódy tvoria sústavu kriviek, ktorých parametrom je osvetlenie. Fototranzistor Ak na oblast’ bázy, emitora kolektora tranzistora dopadá svetlo, vytvárajú sa v týchto oblastiach dvojice elektrón–diera. Vzniknuté nosiče difundujú smerom k P–N pre- chodu na emitore alebo kolektore a sú navzájom oddel’ované potenciálovou bariérou týchto prechodov. Následkom toho sa zväčšuje prúd emitora, ale aj prúd kolektora. Zväčšovanie kolektorového prúdu ako výstupného prúdu závisı́ na prúdovom zosilňovacom činiteli αbF , na spôsobe zapojenia tranzistora a na tom, ktorá oblast’ tranzistora je osvetlená. Tranzistory, ktorých výstupný obvod je riadený dopadom svetla, nazývame fototranzistory. Vplyvom zosilňovacieho účinku dosahujú fototranzistory väčšiu citlivost’ ako fotodiódy. Nakol’ko reakcia na svetelný signál sa pohybuje rádovo v jednotkách až desiatkach mikrosekúnd, je fototranzistor v porovnanı́ s fotodiódami menej vhodný ako detektor optických signálov. Fotorezistor Je vel’mi citlivým detektorom založený na fotovodivostnom princı́pe. Môžeme si ho predstavit’ ako homogénne dotovaný polovodič CdS typu N s kontaktmi a zapojený do obvodu. Pri dopade svetla vzniká generovanie páru elektrón- diera. Časové oneskorenie zmeny odporu po osvetlenı́ znamená že fotorezistory nie sú vhodné na detekciu rýchlejšı́ch signálov, spektrálnu citlivost’ je možné menit’ vol’bou vhodného materiálu γf = B · Φx 43 11. januára 2022 3ZED20 Riec γf - fotovodivost’ B - materiálová konšt. Φ - intenzita žiarenia x - exponent intervalu 1 > x > 0 30 Fotoelektronické prvky: LED dióda LED Vlnová dĺžka emitovaného žiarenia závisı́ na použitom polovodiči (Wg ) a môžeme ju ovplyvnit’ vhodnou dotáciou. 44 11. januára 2022 3ZED20 Riec Vysvetlenie fungovania LEDky: Priloženı́m napätia v priepustnom smere dôjde k injekcii elekrónov z polovodiča N do P a dier P do N. Väčšina dier a elektrónov rekombinuje na vzdialenosti difúznej dĺžky. Uvol’nená energia vyžiari vo forme fotónu s energiou W = h · ν = Wg spontánnou emisiou. Rekombinácia nosičov dochádza za určitú strednú dobu nazývanú doba životnosti nosiča. 45