Санкт-Петербург 2011

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
по типу функциональной характеристики

Иллюстрации типовых свойств элементов и ФУ
Линейность и нелинейность
Линейный элемент (узел, устройство) в отличие от нелинейного подчиняется принципу суперпозиции: «Реакция на сумму воздействий равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности».
Функциональный узел, составленный из линейных элементов, линеен.
Приведите примеры нелинейных функциональных характеристик
- нелинейная функция

Безынерционность и инерционность
Реакция инерционных элементов (функциональных узлов, устройств) в отличие от безынерционных определяется не только мгновенным значением входного сигнала, но и значением самой реакции в предыдущие моменты времени.
Примерами функциональных элементов являются конденсаторы и катушки индуктивности.
Источник прямоугольного импульса с амплитудой _____?, подключается к конденсатору С1 с номинальной емкостью 1 мФ через ограничительный резистор R1 с номинальным сопротивлением 1 Ом, напряжение на конденсаторе фиксируется вольтметром Uc.
Варьируемым параметром является начальное напряжение на конденсаторе С1 c ___ до ____ В.
C целью изменения выходного напряжения в момент замыкания ключа S1.
Напряжения на входе измеряется вольтметром U_input

Активность и пассивность
Под активными элементами (функциональными узлами, устройствами) понимаются такие, у которых мощность на выходе больше мощности на входе.
Примерами функциональных узлов являются транзисторы, усилители.

ИИН
ИИТ
Физические модели источников напряжения и тока

Математические модели источников напряжения и тока в присутствие нагрузки
Рис.1.
Рис.2.
Рис.3.
Рис.4.

К определению условий передачи мощности в нагрузку (источник напряжения)
А
Б
В
Г
Д
Rн

Аналитический вывод условия максимальной передачи мощности
Тогда мощность, выделяющаяся на нагрузке равна:

Рези́стор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) – элемент, основным свойством которого является перевод электрической энергии в тепловую. Идеальный резистор – безынерционный линейный элемент, основным параметром которого является сопротивление R, которое согласно закону Ома: u(t)=R*i(t) представляет собой коэффициент пропорциональности между током, протекающим через резистор, и возникающим на резисторе напряжением U.
Основное назначение резистора: деление и сложение напряжений и токов, формирование режима работы нелинейных активных элементов, обеспечение выделения в нагрузке максимальной мощности.
Основные параметры резисторов:
Номинальное сопротивление (Rном), разброс номиналов(δ), номинальная рассеиваемая мощность (Pном), температурный коэффициент сопротивления (ткс), надежность резистора: вероятность отказа (Pотк), вероятность безотказной работы (Pбр), интенсивность отказов (λ)
Резисторы: определение, назначение, основные параметры, конструкции

Номиналы сопротивлений промышленно выпускаемых резисторов не являются произвольными. Существуют специальные ряды номиналов, представляющие собой множества значений от 1 до 10 (декада). Номинал резистора определённого ряда является произвольным значением из соответствующего множества, зависящего от допуска на относительную погрешность отклонения от номинала (δ).
Номинальное сопротивление

Установление связи между номинальной величиной сопротивления и допусками (разбросами)
Нетрудно заметить, что номиналы резисторов представляют собой геометрическую прогрессию. Прогрессия вытекает из условия равенства относительных отклонений разбросов влево и вправо относительно номинальных значений.
y
x
0
1

Это делает возможным путем решения показательного уравнения определить, как количество номиналов в декаде, так и их величины.
Воспользуемся для решения пакетом Scilab для трех величин разброса δ=0.2, δ=0.1, δ=0.05 (определена как счетчик цикла d). Результатом поиска функцией fsolve корней уравнения, определенного с помощью deff, является количество номиналов в декаде
-->for d=[0.2 0.1 0.05]
-->deff('[y]=f(x,d)','y=((1+d)/(1-d)).^x-10')
-->fsolve(0,f)
-->end
ans = 5.6788736
ans = 11.474446
ans = 23.00665
Цикл для δ=[0.2 0.1 0.05]
Определяем функцию
Находим корень
Конец цикла
Ответы для δ=0,2
δ= 0,1
δ= 0,05

Вероятности безотказной работы и отказа при λ = 0,01; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5

КОНСТРУКЦИИ РЕЗИСТОРЫ ПОСТОЯННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
а. объемный (цилиндрический) с выводами
б. цилиндрический с пленочным поверхностным резистивным слоем
в. плоский с пленочным поверхностным резистивным слоем
г. цилиндрический со спиральным резистивным слоем на керамической базовой детали и с выводами
1. резистивный слой
2. вывод
3. несущий фрагмент конструкции

керамическое основание («трубка»)
проводящий элемент
контактный узел
защитное покрытие
выводы
Конструкция резисторов типа МЛТ

1. проводящий элемент
2. заклепка
3. вывод
4. основание
резистивный элемент в виде скобы с пленочным проводящим элементом
контактный вывод
7. контактная щетка
8. основание (поводок) контактной щетки
9. ось
резьбовая втулка (для крепления резистора)
защитный кожух
Конструкция пленочных резисторов переменного сопротивления

А. линейная
Б. логарифмическая
В. обратно – логарифмическая
(пунктир обозначает области допустимых значений)
Функциональные характеристики переменных резисторов

Узел: точка, в которой «объединяются» более двух двухполюсников
узлы ( ________________________________________________________________).
Ветвь: двухполюсник, включенный между двумя узлами.
Контур: замкнутая совокупность ветвей, в которой ни один узел не встречается дважды
контура ( ______________________________________________________________).
Независимые контура: те, которые не могут быть получены из совокупности других контуров в анализируемой схеме.
Независимые узлы: те, в которых объединяются разные совокупности ветвей.
РАСЧЕТ ФУ НА ЛИНЕЙНЫХ БЕЗЫНЕРЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Основные понятия электрической цепи: топология, узлы, ветви контура,
законы Кирхгофа
R2
R3
1

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.
Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.
Правила анализа схем с помощью законов Кирхгофа:
Выделить и обозначить независимые узлы (______________________________________________).
Выделить и обозначить независимые контура (______________________________________________).
Задаться направлениями токов в ветвях и направлениями обхода контуров.
Выбрать метод анализа (“существует много способов исполнения песни стаи, и каждый способ хорош по-своему” – Акела [Киплинг «Маугли»]).

Пример №1 Резистивный делитель напряжения
(определение токов в ветвях, источник постоянного напряжения)

Пример №1 Резистивный делитель напряжения
(определение напряжений в узлах, источник постоянного напряжения)

Пример №1 Резистивный делитель напряжения
(определение токов в ветвях, источник переменного напряжения)

Пример №1 Резистивный делитель напряжения
(определение напряжений в узлах, источник переменного напряжения)

A=[1000,1000,0;0,-1000,2000;1000,-1000,-1000]
B=[-1;0;0]
X=linsolve(A,B)
X =
0.0006
0.0004
0.0002
Расчет в пакете SciLab
Решение уравнения в матричной форме A*X+B=0
Определяем матрицу A
Определяем матрицу B
Находим решение уравнения

R=4000
U0=1
A=[R,R,0;0,-R,2*R;R,-R,-R]
B=[-U0;0;0]
I=linsolve(A,B)
U(3)=I(3)*R
U(2)=U(3)+I(2)*R
U(1)=U(2)+I(1)*R
Расчет в пакете SciLab
Решение уравнения в матричной форме A*X+B=0
Сопротивление резистора
Входное напряжение
Матрица сопротивлений
Матрица напряжений
Решение системы ур-ий
Находим напряжения

R4
Uоп
R8
R6
R2
R1
R3
R5
R7
Σ
Управляется двоичным кодом
Uвых
ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

КОМПЛЕКСНАЯ РАБОТА №1
«ИССЛЕДОВАНИЕ БЕЗЫНЕРЦИОННЫХ ПАССИВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ СРЕДСТВ СВЯЗИ».
Задание
Цель работы: исследование свойств резистивной матрицы R-2R.
Содержание задания:
Изготовить объект исследования, описать его.
Составить физическую модель исследуемого функционального узла.
Составить математическую модель исследуемого функционального узла.
Провести «инженерную» оценку (прогноз) ожидаемых результатов по заданным преподавателем номиналам элементов.
Провести моделирование функционального узла с использованием математического пакета Scilab (СПО).
Провести моделирование функционального узла с использованием схемотехнических пакетов Qucs (СПО).
Провести экспериментальное исследование функционального узла.
Сопоставить результаты прогноза, «ручного» расчета, моделирования и эксперимента.

3.Представляемые текстовые и графические материалы:
3.1 Пояснительная записка, оформленная с использованием текстового процессора OpenOffice.
3.2 Графический материал:
Оценки требуемых характеристик исследуемого функционального узла
Результаты моделирования в виде документа пакета Scilab (СПО).
Результаты моделирования в виде документов пакетов Qucs (СПО).
Результаты эксперимента в виде таблиц измерений.
3.3 Аннотация работы (русский и английский).

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ P-N - ПЕРЕХОДА
НЕЛИНЕЙНЫЕ БЕЗЫНЕРЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД)
Отсутствие внешнего источника

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ P-N - ПЕРЕХОДА
б) Отпирание
в) Насыщение

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ P-N - ПЕРЕХОДА
г) Запирание

МИКРОФОТОГРАФИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
(разное увеличение)

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАНАРНОГО p-n ПЕРЕХОДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СХЕМЕ
Изготовление планарного p-n перехода - диодная структура (фотолитография)
1. Заданная структура 2. Окисление кремния 3. Нанесение фоторезиста
4. Наложение маски 5. Маска

Si-p
О1 (первое окисление Si)
Ф1 (первая фотолитография)
Д1 (первая диффузия)
Травление SiO2
Эпитаксия (слой n - типа)
О2
Ф2
Д1 (разделительная, сквозная)
О3
Ф3
Д3 (базовая, слой p - типа)
О4
Ф4
Изготовление планарного p-n перехода - диодная структура (фотолитография)
6.
7.
8.
Si
p
Si
p
Si
p
9.
Si
p
10.
Si
p
11.
Si
p
6. Засветка 7. Удаление маски 8. Проявление
9. Задубливание 10. Травление окиси кремния 11. Удаление фоторезиста
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАНАРНОГО p-n ПЕРЕХОДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СХЕМЕ

12.
Si
p
P
P
P
P
P
n+
Si
p
n+
13.
14.
p
p
p
p
p
n+
p
p
12. Диффузия фосфора (создание n-области)
13. Заданная структура (профиль)
14. Заданная структура (вид сверху)
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАНАРНОГО p-n ПЕРЕХОДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СХЕМЕ

Вольт-амперная характеристика диода
параметры : I0 – обратный ток диода (зависит от материала),
φT – параметр, определяющий прямой ток
(зависит от температуры)
Аналитическая форма записи ВАХ п/п диода:

Диоды. Вольт-амперная характеристика (ВАХ), аппроксимация ВАХ

Пример №2 Моделирование диодного ограничителя в СПО (Qucs)

Безынерционные логические элементы
D1
U1
U2
R
D2
U3

Безынерционные логические элементы

Безынерционные логические элементы
X1
X1
X2
X2
Y
Y
&
1
0
1
1
0
0
1

КОМПОНЕНТНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Резистор
Конденсатор
Катушка индуктивности
Диод
R
C
UR
IR
UC
IC
UL
IL
Uд
Iд
L