Решение экзаменационных вопросов по электронике

Ниже представлены краткие и емкие ответы на экзаменационные вопросы, структурированные для удобного переписывания в школьную или студенческую тетрадь. Вопрос 1. Принцип работы полупроводникового диода. Работа диода основана на свойствах p-n перехода. При прямом смещении (плюс к p-области, минус к n-области) потенциальный барьер снижается, и через диод течет ток. При обратном смещении барьер увеличивается, и ток практически равен нулю. Вопрос 2. Устройство и основные характеристики p-n перехода. p-n переход — это область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости: p-типа (дырочная) и n-типа (электронная). Основные характеристики: контактная разность потенциалов, ширина запирающего слоя и емкость перехода. Вопрос 3. Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода. ВАХ описывается уравнением Шокли: \[ I = I_0 \cdot (e^{\frac{U}{m \cdot \phi_T}} - 1) \] График имеет две ветви: прямую (резкий рост тока при малом напряжении) и обратную (очень малый ток утечки до момента пробоя). Вопрос 4. Устройство и классификация полупроводниковых диодов. Диод состоит из кристалла полупроводника с p-n переходом и двух выводов (анод и катод). Классификация: 1. По материалу: германиевые, кремниевые. 2. По назначению: выпрямительные, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, импульсные. Вопрос 5. Маркировка полупроводниковых диодов. В России используется ГОСТ. Первый элемент — материал (К или 2 — кремний, Г или 1 — германий). Второй — тип (Д — выпрямительный, С — стабилитрон). Далее цифры, обозначающие параметры. Вопрос 6. Тиристоры. Назначение, классификация. Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами, работающий как бесконтактный ключ. Классификация: динисторы (двухвыводные), тринисторы (трехвыводные), симисторы (двунаправленные). Вопрос 7. Устройство и принцип работы тиристора. Тиристор имеет четырехслойную структуру p-n-p-n. При подаче управляющего импульса на базу одного из транзисторов структуры происходит лавинообразное открытие прибора. Он остается открытым, пока ток через него не упадет ниже тока удержания. Вопрос 8. Вольтамперная характеристика тиристора. ВАХ имеет участок с отрицательным сопротивлением. При достижении напряжения включения \( U_{вкл} \) прибор переходит из закрытого состояния в открытое, и напряжение на нем резко падает. Вопрос 9. Классификация транзисторов. 1. По принципу действия: биполярные и униполярные (полевые). 2. По мощности: малой, средней и большой мощности. 3. По частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные. Вопрос 10. Маркировка транзисторов. Аналогично диодам: первый символ — материал (К, Г), второй — подгруппа (Т — биполярный, П — полевой), далее цифры, определяющие электрические свойства. Вопрос 11. Устройство биполярного транзистора. Состоит из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости (p-n-p или n-p-n) и трех выводов: эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К). Вопрос 12. Принцип работы биполярного транзистора. Малый ток базы управляет большим током коллектора. При подаче напряжения на переход Б-Э электроны из эмиттера инжектируются в базу, подхватываются полем коллектора и создают ток коллектора. \[ I_э = I_б + I_к \] Вопрос 13. Униполярные (полевые) транзисторы. Это приборы, в которых ток обусловлен движением носителей только одного знака. Управление осуществляется электрическим полем (напряжением), а не током. Вопрос 14. Принцип работы полевого транзистора с p-n переходом. При изменении обратного напряжения на затворе меняется ширина p-n перехода, что приводит к изменению сечения проводящего канала и, следовательно, тока стока. Вопрос 15. Условные обозначения транзисторов. На схемах транзисторы обозначаются кружком с линиями. У n-p-n стрелка эмиттера направлена от базы, у p-n-p — к базе. У полевых транзисторов затвор рисуется параллельно каналу. Вопрос 16. Назначение и классификация усилителей. Назначение: увеличение мощности входного сигнала за счет энергии источника питания. Классификация: по частоте (УЗЧ, УВЧ), по виду усиливаемой величины (тока, напряжения, мощности). Вопрос 17. Основные параметры усилителей. 1. Коэффициент усиления: \( K_u = \frac{U_{вых}}{U_{вх}} \). 2. Входное и выходное сопротивления. 3. Полоса пропускания. 4. Коэффициент полезного действия (КПД). Вопрос 18. Схемы включения транзисторов. Существует три основные схемы: 1. С общим эмиттером (ОЭ) — дает усиление по току и напряжению. 2. С общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению. 3. С общим коллектором (ОК) — эмиттерный повторитель, усиление только по току. Вопрос 19. Основные характеристики транзистора. К ним относятся статические коэффициенты передачи тока \( \alpha \) и \( \beta \), предельные напряжения и токи, а также максимально допустимая мощность рассеивания. Вопрос 20. Статические характеристики транзисторов. Это зависимости между токами и напряжениями при постоянном токе. Различают входные характеристики \( I_б = f(U_{бэ}) \) и выходные \( I_к = f(U_{кэ}) \). Вопрос 21. Статические характеристики p-n-p транзисторов в схеме ОЭ. Входная характеристика показывает зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер. Выходные характеристики представляют собой семейство кривых зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при разных токах базы. Вопрос 22. Режимы работы усилительных каскадов. 1. Класс А: транзистор открыт весь период (минимум искажений, низкий КПД). 2. Класс B: транзистор открыт полпериода (высокий КПД). 3. Класс AB: промежуточный режим. Вопрос 23. Усилительный каскад с ОЭ. Назначение элементов. Резистор в цепи коллектора \( R_к \) создает выходное напряжение. Делитель в базе задает рабочую точку. Конденсаторы разделяют постоянную и переменную составляющие. Вопрос 24. Выбор параметров каскада ОЭ. Выбор начинается с задания тока покоя коллектора и напряжения на нем (обычно половина напряжения питания для максимальной амплитуды). Вопрос 25. Усилители постоянного тока (УПТ). Предназначены для усиления медленно меняющихся сигналов. В них отсутствует емкостная связь между каскадами, что требует решения проблемы дрейфа "нуля". Вопрос 26. Дифференциальный усилительный каскад (ДУК). Состоит из двух идентичных транзисторов с общим эмиттерным резистором. Предназначен для усиления разности двух сигналов. Вопрос 27. Способы подачи сигналов на ДУК. 1. Дифференциальный (разностный) — сигналы подаются на оба входа. 2. Однофазный — сигнал подается на один вход, второй заземлен. Вопрос 28. Режим баланса моста в ДУК. При полной симметрии плеч и отсутствии входного сигнала потенциалы коллекторов равны, и выходное напряжение между ними равно нулю. Вопрос 29. Работа ДУК при подаче сигнала. При подаче разностного сигнала ток одного транзистора увеличивается, а другого уменьшается, что приводит к появлению значительного напряжения на выходе. Вопрос 30. Усиление синфазных сигналов. Синфазный сигнал — это одинаковый сигнал на обоих входах. Идеальный ДУК его не усиливает. Синфазная ошибка возникает из-за неидентичности транзисторов. Вопрос 31. Операционные усилители (ОУ). ОУ — это усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и один выход. Вопрос 32. Устройство и принцип работы ОУ. Включает входной дифференциальный каскад, промежуточные каскады усиления и выходной каскад (повторитель). Работает на принципе глубокой отрицательной обратной связи (ООС). Вопрос 33. Характеристики ОУ. 1. Коэффициент усиления без обратной связи \( K_{u0} \approx 10^5 - 10^6 \). 2. Входное сопротивление (стремится к бесконечности). 3. Выходное сопротивление (стремится к нулю). Вопрос 34. Амплитудная характеристика ОУ. Зависимость \( U_{вых} \) от \( U_{вх} \). Имеет линейный участок и участки насыщения (ограничения), близкие к напряжениям питания. Вопрос 35. Частотные характеристики ОУ. С ростом частоты коэффициент усиления падает. Частота, при которой \( K_u = 1 \), называется частотой единичного усиления. Вопрос 36. Динамические характеристики ОУ. Основная — скорость нарастания выходного напряжения \( V = \frac{dU_{вых}}{dt} \). Она определяет быстродействие прибора. Вопрос 37. Инвертирующий усилитель. Сигнал подается на инвертирующий вход (-). Коэффициент усиления: \[ K = -\frac{R_{ос}}{R_{вх}} \] Вопрос 38. Неинвертирующий усилитель. Сигнал подается на неинвертирующий вход (+). Коэффициент усиления: \[ K = 1 + \frac{R_{ос}}{R_1} \] Вопрос 39. Инвертирующий сумматор. Позволяет складывать несколько напряжений. Выходное напряжение равно инвертированной сумме входных с весовыми коэффициентами. Вопрос 40. Неинвертирующий сумматор. Складывает сигналы без инверсии фазы. Реализуется сложнее из-за взаимовлияния входов. Вопрос 41. Интегратор. Схема на ОУ, где в цепи обратной связи стоит конденсатор. Выходное напряжение пропорционально интегралу от входного. Вопрос 43. Широкополосные и импульсные усилители. Предназначены для усиления сигналов в широком диапазоне частот или коротких импульсов без искажения их формы (фронтов). Вопрос 44. Избирательные усилители (ОЭ). Усиливают сигналы только в узкой полосе частот. В схеме ОЭ в качестве нагрузки используется резонансный LC-контур. Вопрос 45. Избирательные усилители на базе ОУ. Используют частотно-зависимые цепи в обратной связи (например, двойной Т-образный мост) для выделения нужной частоты. Вопрос 46. Ключевой режим работы транзистора. Транзистор находится либо в режиме отсечки (закрыт), либо в режиме насыщения (полностью открыт). Используется в цифровой технике. Вопрос 47. Мультивибраторы. Генераторы прямоугольных импульсов. Бывают автоколебательные (самозапуск) и ждущие. Вопрос 48. Ждущий мультивибратор (одновибратор). Имеет одно устойчивое состояние. При поступлении внешнего импульса переходит в неустойчивое состояние на заданное время, формируя импульс. Вопрос 49. Мультивибраторы на базе ОУ. Реализуются с использованием времязадающей RC-цепи и положительной обратной связи, что обеспечивает высокую стабильность частоты. Вопрос 50. Классификация и маркировка микросхем. Микросхемы делятся на аналоговые, цифровые и гибридные. Маркировка (например, К155ЛА3): К — для широкого применения, 155 — серия, ЛА3 — логическая функция. Вопрос 51. Классификация цифровых микросхем. Делятся по технологии изготовления: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная), КМОП (на полевых транзисторах). Вопрос 52. Базовые элементы цифровых микросхем. Это логические элементы, выполняющие простейшие операции: И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT), И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR). Вопрос 53. Базовый элемент ДТЛ. Диодно-транзисторная логика. Логическая операция выполняется на диодной сборке, а усиление и инверсия — транзистором. Вопрос 54. Базовый элемент ТТЛ. Транзисторно-транзисторная логика. На входе используется многоэмиттерный транзистор, что повышает быстродействие. Вопрос 55-56. Элементы на КМДП (КМОП) транзисторах. Комплементарные структуры на полевых транзисторах разного типа проводимости. Главное преимущество — крайне низкое потребление энергии в статическом режиме.