2. Содержание курса

Краткая история развития схемотехники.

Влияние схемотехнической базы на характеристики устройств

Классификация и основные понятия.

Системы элементов.

Терминология микросхем.

Системы потенциальных элементов.

Специальные элементы ЭВМ.

Схемотехника триггерных схем.

Асинхронные триггеры.

Синхронные триггеры.

Последовательностные схемы повышенной интеграции.

Регистры.

Счѐтчики.

Комбинационные схемы и узлы цифровых устройств.

Сумматоры.

Схемотехника ЗУ.

Микропроцессорные комплекты.

Элементы аналоговых и гибридных вычислительных машин.

Операционные усилители.

Перспективы развития схемотехники.

Схемы субнаносекундного диапазона.

Оптоэлектронные логические элементы и матричные структуры картинной логики.

Квантооптическая схемотехника.

Знания, умения и навыки достигаются за счет использования в процессе обучения:

• интерактивных методов формирования компетенций у студентов:

• лекций с применением мультимедийных технологий;

• использование деловых игр на практических занятиях;

• вовлечение студентов в проектную деятельность.

АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Лабораторная работа 1

Исследование масштабирующих преобразователей

Теоретическое введение.

Масштабирующие преобразователи применяются для приведения выходного сигнала первичного измерительного преобразователя (датчика) к стандартному уровню для дальнейшего преобразования в цифровую форму и обработки в микропроцессорных системах управления или измерения. Такие преобразователи, по существу, являются усилителями, которые преимущественно выполняются на операционных усилителях (ОУ) в интегральном исполнении, при этом чаще всего используются три схемы включения ОУ, показанные на рис.1.

а б в

Рис.1. Инвертирующий (а), неинвертирующий (б) усилитель и повторитель напряжения (в) на ОУ

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя по постоянному току в первом приближении определяется формулой:

Kои=R3/R1 в диапазоне частот K(j )=K0/(1+j / гр),

(1)

Где _гр - граничная частота ОУ по уровню 0,707K₀.

Коэффициент усиления по постоянному току неинвертирующего усилителя (рис.l, б) в первом приближении равен K_он=1+R3/R1. Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения (рис.1, в) с единичным коэффициентом передачи. Он обладает высоким входным сопротивлением и используется для согласования высокоомных датчиков с последующими низкоомными преобразователями.

Одной из важных характеристик усилителей являются их частотные характеристики, а так же смещение нуля (Uсм) и паразитные входные токи. Эти параметры определяют точностные характеристики таких устройств, как аналоговые вычислительные машины, разнообразная измерительная техника и т.п.

Для инвертирующего усилителя выходное напряжение, вызванное напряжением смещения нуля Uсм, определяется выражением:

Uвых=Vсм(1+R3/R1),

(2)

а вызванное входными токами I_вх и их разностью ∆I - соответственно выражениями

Uсм=Iвх(R2-R1||R3||Ri),	(3)
U(I)=∆IR3,	(4)

где значок || означает параллельное включение сопротивлений, Ri - входное сопротивление ОУ.

Порядок выполнения работы.

1. Откройте файл lab/1/1_1.ewb.

2. Создаем собственную библиотеку компонентов, открыв двойным щелчком свойства ОУ – «New library/my_lib» копируем в эту библиотеку следующие типы ОУ: LF157 (К140УД23), LM741 (КР140УД708), LM358

3. (К140УД5) и МС1456 (К140УД6).

Рис.2. Усилитель на ОУ LM741 и его АЧХ

4. Выберите ОУ с максимальной граничной частотой. Для оценки рабочего диапазона частот усилителя на ОУ измеряют его АЧХ, используя Боде-плоттер, и определяют верхнюю граничную частоту по уровню 0,707, что соответствует спаду усиления на -3Дб. Из АЧХ усилителя на ОУ LM741 (рис. 2) видно, что диапазон частот по уровню -3 Дб составляет 0...630 кГц.

5. Откройте файл lab/1/1_2.ewb.

Рис.3. Схема для исследования влияния на выходное напряжение ОУ напряжения смещения и паразитных входных токов

6. В режиме редактирования характеристик ОУ установите значения IBS=IOS=0, а для VOS выберите значения в соответствии с табл.1 и с помощью мультиметра измерьте соответствующие им выходные напряжения U_вых. Полученные данные сравните с результатами расчетов по формуле (2) и занесите в таблицу 1;

Табл.1

VOS,mV	Uвых
	замер	расчет
1
3
5
10

7. Далее установите VOS=0, IOS=0, для IBS устанавливайте значения в соответствии с табл.2, для этих значений измерьте U_вых и сравните с данными расчетов по формуле (3); в случае их расхождений объясните причину, учитывая, что формула (3) получена в предположении, что входные токи IBS имеют одинаковое направление - или втекающие или вытекающие из входных зажимов ОУ в зависимости от типа используемых во входных каскадах транзисторов. Результаты занесите в таблицу 2.

Табл.2 табл.3

IBS,А	Uвых
	замер	расчет
1е-10
3е-10
5е-10
1е-9

IOS ,А	Uвых
	замер	расчет
1е-10
3е-10
5е-10
1е-9

8. установите значение IBS=0 остальные согласно табл 3 и сравните с данными расчетов по формуле (4). После чего сделайте вывод о взаимном влиянии IBS и IOS. Размерность и обозначения коэффициента передачи зависят от значений и величин входного и выходного сигнала, например, S=I_вых/U_вх - носит название коэффициента преобразования напряжения в ток; W=P_вых/I_вх - коэффициент преобразования тока в мощность. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления, который в зависимости от характера входной или выходной величин подразделяют на: коэффициент усиления по напряжению K_u=U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току K_i=I_вых/I_вх, коэффициент усиления по мощности K_p=P_вых/P_вх и соответственно в логарифмических единицах, K_u=20lg(U_вых/U_вх), K_i=20lg(I_вых/I_вх), K_p=10lg(P_вых/P_вх).

9. Откройте файл lab/1/1_3.ewb.

Рис.4 Инвертирующий усилитель

10. Для данного усилителя коэффициент усиления K=U_o/U_i=R2/R1=1000. Следовательно, при входном напряжении 1 мВ выходное напряжение должно быть равно 1 В, а вольтметр показывает 2В. Объясните причину такого явления.

11. Проведите моделирование влияния напряжения смещения нуля и паразитных входных токов ОУ на его выходное напряжение, используя схему на рис.4. Проведите сравнительный анализ дестабилизирующих параметров ОУ, перечисленных в п.1.

Контрольные вопросы и задания.

1. Что такое масштабирующий преобразователь, какие схемы используются для реализации?

2. Приведите основные определения, используемые в теории усилителей с обратными связями (ОС).

3. Назовите тип ОС, используемой в инвертирующем усилителе на ОУ и эмиттерном повторителе (параллельная, последовательная, по току, по напряжению).

4. Какое влияние оказывает отрицательная ОС на стабильность коэффициента усиления?

5. Назовите условия устойчивой работы усилителя с ОС.

6. Каким образом влияет обратная связь на входное и выходное сопротивления усилителя?