2020-05-25
455
ФАТКУЛИН РАФКАТ СЕРГЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ПРИСТАВКИ-ХАРАКТЕРИОГРАФА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРА
Курсовая квалификационная работа
по направлению 11.03.01 – Радиотехника
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: к.ф.-м.н.,
Перченко Сергей Владимирович
_________________________________
(подпись)
«Работа рассмотрена на заседании кафедры» Заведующий кафедрой радиофизики к.ф-м.н., доцент Якимец А.Л.
_________________________________
(подпись)
Волгоград 2019 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................... 3
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ.......................................................................... 4
1.1 Характеристики диодов, стабилитронов и светодиодов................ 4
1.2 Характеристики биполярных транзисторов.................................. 8
2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ С МИКРОКОНТРОЛЛЕРОМ.................... 13
2.1. Устройства ввода-вывода............................................................. 14
2.2. Аналого-цифровой преобразователь......................................... 16
2.3. Цифро-аналоговый преобразователь......................................... 17
2.4 Универсальный синхронный / асинхронный приёмопередатчик 19
|
|
|
3. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА................................................................... 21
3.1. Описание принципиальной схемы приставки – характериографа 21
3.2 Проверка и отладка схемы............................................................ 25
3.3 Измерение ВАХ некоторых полупроводниковых приборов...... 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................. 31
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................................... 32
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................................... 33
ВВЕДЕНИЕ
Задачей курсовой работы является разработка и изготовление приставки-характериографа на базе микроконтроллера, предназначенной для наблюдения семейства выходных вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов малой мощности структур n - p - n и p - n - p и полупроводниковых двухполюсников. Приставка должна обладать следующими характеристиками:
- максимальное пульсирующее напряжение коллектор-эмиттер: 50 В;
- максимальный ток коллектора: не более 250 мА;
- диапазон генерируемых токов базы ‑10...+10 мА;
- регулируемое число ступеней тока базы;
- возможность синхронизации переключения тока базы по внешнему пульсирующему напряжению;
- управление приставкой должно осуществляться с помощью микроконтроллера;
- отображение характеристик и параметров п/п должно производиться на компьютере.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
В процессе проектирования и настройки электронных устройств часто возникает необходимость измерения характеристики параметров тех или иных полупроводниковых приборов – полевых и биполярных транзисторов, диодов, стабилитронов и других. Существует множество приборов, позволяющих измерять параметры перечисленных элементов. Одним из них является характериограф – прибор для визуального наблюдения вольт-амперных характеристик двух- и трёхполюсников.
|
|
|
И прежде, чем начать изучение структуры и принципов работы характериографа, кратко перечислим параметры основных полупроводниковых приборов.
Характеристики диодов, стабилитронов и светодиодов
Так как на приставке-характериографе можно проверять, кроме биполярных транзисторов, также и диоды, стабилитроны и светодиоды, стоит рассказать и об их выходных характеристиках.
| Рис. 1.1. Типичная ВАХ кремниевого диода |
| Рис. 1.2. Типичная ВАХ германиевого диода |
Начнем с характеристик и параметров полупроводниковых диодов, типичные ВАХ которых представлены на рис. 1.1. и 1.2. Следует обратить внимание, что масштаб по осям этих характеристик для положительных и отрицательных токов и напряжений различен. [5]
Известно, что ВАХ идеального электронно-дырочного перехода описывается формулой Шоттки:
где ia – ток через диод, uак – падение напряжения на нем, IS – ток насыщения диода (тепловой ток), 
= kT/e – тепловой потенциал, который при комнатной температуре составляет примерно 26 мВ.
ВАХ реального диода гораздо лучше описывается следующим выражением:
Входящий в это выражение параметр m - (1 < m < 2) зависит от типа диода и материала, из которого он изготовлен. Еще одной характеристикой диода является его дифференциальное сопротивление, которое определяется как:
и вычисляется при определенном значении прямого тока iа. Также при определенном значении прямого тока iа измеряется прямое падение напряжения на диоде Uак, которое для кремниевых диодов составляет примерно 0,7 В, а для германиевых – 0,4 В.
Обратный ток диода Iобр зависит от обратного напряжения uак, поэтому также измеряется при определенном значении uак. Наконец, важной характеристикой диода является напряжение пробоя Uпр – обратное напряжение uак, при котором начинается резкий рост обратного тока. Сначала происходит электрический пробой (обратимый), который может перейти в необратимый тепловой пробой, при котором диод выходит из строя.
Поскольку как тепловой потенциал 
, так и обратный ток I0 зависят от температуры, температурный коэффициент напряжения (ТКН) диода:
То есть зависимость напряжения на диоде от температуры при постоянном прямом токе, в широком диапазоне температур почти постоянен и составляет примерно –2 мВ/К.
Стабилитроном (зенеровским диодом) называют диод, предназначенный для работы в области электрического пробоя на обратной ветви ВАХ. Поскольку рабочим участком для стабилитрона является обратная ветвь ВАХ, положительными считают его обратное напряжение и обратный ток, как это показано на рис. 1.3. На этом же рисунке приведено условное обозначение стабилитрона.
Рис. 1.3. Обозначение и ВАХ стабилитрона
В рабочей области, то есть в диапазоне токов [ Iст min, Iст max ], ВАХ стабилитрона хорошо описывается линейной зависимостью:
где Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, а rст = dUак/diа – его дифференциальное сопротивление, которое обычно составляет единицы – десятки Ом и слабо уменьшается с ростом анодного тока. Промышленностью выпускаются в основном кремниевые стабилитроны с напряжением стабилизации от 3.3 до 200 В и мощностью от 250 мВт до 50 Вт. Минимальное значение rст наблюдается у стабилитронов с Uст 
7 В.
Исключительно важным параметром стабилитрона является его температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации 
:
Так как изменение температуры приводит к изменению напряжения стабилизации. ТКН стабилитронов лежит в пределах ± 10-3 
. Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, а для больших – положителен. Это объясняется тем, что при Uст < 7 В преобладает пробой Зенера, а при Uст > 7 В – лавинный пробой. Таким образом, при Uст 7 В этот коэффициент минимален. Для больших напряжений Uст его можно искусственно снизить, включив последовательно со стабилитроном один или несколько диодов. Такие стабилитроны с термокомпенсацией могут иметь ТКН до 10–5 [К–1].
|
|
|
Светодиоды изготавливаются не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых элементов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Эти диоды излучают свет при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения светодиодов имеет довольно узкие границы, а ее положение зависит от используемого полупроводникового материала.
ВАХ светодиодов походит на ВАХ кремниевого диода, однако прямое падение напряжения на светодиодах лежит в пределах 1.3 – 2.4 В (в зависимости от цвета свечения). Кроме того, они обладают более низким дифференциальным сопротивлением 
по сравнению с кремниевыми и германиевыми диодами, что дает возможность использовать их в качестве стабилизаторов малых напряжений. ТКН светодиодов определяется так же, как и у обычных диодов, и составляет около –2мВ/К.
