439

В.И. СТЕПАНОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

“ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗЛЕКТРОНИКИ”

Омск – 2006

Содержание

Введение……………………………………………………………………… 4

Краткое описание лабораторного стенда…………………………………... 4 Лабораторная работа №1. Изучение лабораторного стенда и электрон-

ного осциллографа…………………………………………………………… 5

Лабораторная работа №2. Вольт-амперные характеристики диодных эле-

ментов………………………………………………………………………… 9

Лабораторная работа №3. Исследование статических характеристик транзисторов………………………………………………………………….14

Лабораторная работа №4. Исследование операционного усилителя и узлов, построенных на его основе…………………………………………..21 Лабораторная работа №5. Вольт-амперная характеристика тиристора и фазовое управление с помощью тиристора…………………………………28

Библиографический список……………………………………………….….31

3

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум является составной частью комплекса учебной литературы по курсу “ Физические основы электроники”. Выполнению каждой работы предшествует домашняя подготовка студента, по результатам которой оформляется индивидуальная заготовка к отчету. В заготовке следует привести цель работы, ответить на вопросы домашнего задания, начертить принципиальную схему электронной цепи, пояснить назначение ее элементов и работу, дать таблицы для записи измеряемых и расчетных величин. На титульном листе указывается название работы, фамилия, имя, отчество студента, номер группы, год выполнения лабораторной работы.

Материалы предварительной подготовки используются при выполнении рабочего задания, а также при обработке экспериментальных данных. По результатам лабораторной работы оформляется отчет, в котором дается анализ и физическое толкование полученных результатов, излагаются ответы на вопросы к защите.

Лабораторные работы построены следующим образом. Сначала излагается цель работы, затем дается теоретическая часть, домашнее задание для самостоятельной подготовки студентов, рабочее задание и методические указания по его выполнению. Для лучшего понимания и усвоения студентом проделанной работы в конце ее описания даются вопросы к защите. Продолжительность занятий в лаборатории два часа. В течение этого времени выполняется рабочее задание, обрабатываются экспериментальные данные, каждым студентом оформляется отчет, производится его защита при наличии в отчете письменных ответов на вопросы домашнего задания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Стенд содержит: блок генераторов напряжений, наборную панель и блок мультиметров.

4

В блоке генераторов напряжения имеются генератор синусоидальных напряжений 50 Гц, генератор напряжений специальной формы и генератор постоянных напряжений. Блок генераторов напряжений обеспечивает напряжения и токи, указанные в табл.1, при этом источники напряжений не связаны между собой. Блок генераторов включается тумблером “Сеть”.

Наборная панель представлена в виде монтажного поля набором штепсельных гнезд, расположенных в двухразмерном координатном направлении. Гнезда электрически соединены между собой по группам.

Меры безопасности

К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

Перед проведением лабораторной работы необходимо убедиться в надежности защитного заземления.

При выполнении работы сборка электронной цепи и любые изменения в ней должны производиться только при отключенном блоке питания БП.

В целях безопасности все выходные напряжения стенда, необходимые для проведения работ, не превышают 30 В.

Подготовка стенда к работе

1.Включить шнур питания стенда в сеть и тумблер “Сеть”.

2.Проверить напряжения источников БП на соответствие табл. 1.

3.Установить на монтажном поле элементы из лабораторного набора, необходимые для проведения работы, и соединить их с помощью проводов

иперемычек согласно принципиальной схеме электронной цепи.

Стенд готов к проведению лабораторной работы.

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

1. Цель работы

Изучить стенд и принцип действия осциллографа. Получить навыки по регистрации формы периодических сигналов, определению их амплитуды

ичастоты.

2.Описание лабораторной установки

Вработе используется осциллограф С1-68, дающий возможность наблюдать, измерять и регистрировать амплитуду и форму электрических

5

сигналов, сдвиг фаз, однократные и периодические процессы, меняющиеся во времени, а также производить другие измерения. Преобразование сигналов в видимое изображение осуществляется в осциллографе электроннолучевой трубкой (ЭЛТ), представляющей собой вакуумированную колбу (рис.1). Внутри ЭЛТ расположены подогреваемый катод К, фокусирующий и ускоряющие аноды А1 и А2, две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин ОПх и ОПy. Внутренняя поверхность дна трубки (экран) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронов. Катод К разогревается переменным напряжением ~ 6,3 и испускает электроны. Они фокусируются в узкий луч анодом А1, ускоряяются анодом А2 за счет подачи на него высокого напряжения 6-10кВ. Сфокусированный луч проходит между пластинами горизонтального ОПx и вертикального ОПy электростатического отклонения, создавая светящуюся точку в центре экрана при отсутствии напряжения на этих пластинах.

Поскольку чувствительность ЭЛТ мала, то напряжение на ОПx и ОПу поступает через усилители горизонтального (УГО) и вертикального (УВО) отклонения. УВО передает исследуемый сигнал и снабжен входным делителем ВД, а также ступенчатой и плавной регулировкой усиления для расширения пределов измеряемых напряжений (у С1-68 диапазон напряжений

2 10-3В ÷ 2 102 В).

При подаче переменного сигнала Uу на вход У электронный луч перемещается вверх-вниз пропорционально мгновенным значениям сигнала, прочерчивая на экране прямую линию. Для получения изображения этого

Рис.1

сигнала, развернутого во времени, необходимо смещать луч по оси X с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины ОПх пилообразного напряжения Uх, которое вырабатывается генератором развертки ГР. Принцип развертки изображения иллюстрирует рис. 2, где даны кривые напряжений Uуи Uх, подводимых к пластинам Опу и ОПх, и получающееся при этом изображения на экране. Можно видеть, что при равенстве периодов напряжения Uуи Uх на экране получается неподвижное изображение одного периода Uу, т.к. синусоиды других перио-

6

дов налагаются на данную синусоиду. При увеличении периода развертки в n раз на экране появится неподвижное изображение n периодов напряжения Uу.

На практике, однако, по ряду причин невозможно точно выдержать кратность периодов напряжений Uу и Uх, что приводит к неустойчивости (непрерывному перемещению) изображения сигнала. Для устранения ее в осциллографе есть блок синхронизации БС. Он запускается сигналами, поступающими с УВО, и принудительно заставляет работать ГР с частотой, кратной частоте входного сигнала Uу. Такой режим синхронизации называется непрерывным и применяется для наблюдения периодических сигналов. Для исследования одиночных непериодических импульсов применяется режим ждущей синхронизации. В этом режиме ГР вырабатывает пилообразный импульс только с приходом сигнала Uу, чем и обеспечивается устойчивость его изображения на экране.

В осциллографе С1-68 предусмотрен также запуск ГР от внешнего источника (внешняя синхронизация). Для расширения функциональных воз-

рическими либо неэлектрическими величинами, которые можно преобразовать в напряжение. Питание всех блоков осциллографа осуществляется от потребительской сети переменного тока через блок питания БП.

На передней панели осциллографа имеются регуляторы следующих видов:

1) регуляторы яркости, фокусировки, перемещения изображения по экрану;

2) регуляторы, изменяющие размер изображения;

3) регуляторы для установки неподвижного изображения на экране.

7

3.Домашняя подготовка

3.1.Начертить функциональную схему осциллографа.

3.2.Пояснить стенд и принцип действия осциллографа с помощью функциональной схемы.

3.3.Для чего в усилителях вертикального и горизонтального отклонения введены ступенчатые и плавные регулировки усиления ?

4.Рабочее задание и порядок выполнения работы

4.1.Ознакомиться с расположением и назначением органов управления на лицевой панели осциллографа С1-68.

4.2. Включить прибор, для чего тумблер “Сеть” перевести в верхнее положение. При этом должна загореться индикаторная лампочка.

4.3. Перевести ручки плавной регулировки усиления УВО и УГО в край на правое положение до упора. При этом цена деления масштабной

сетки экрана mt по горизонтали (в с/см, мс/см, мкс/см) и цена деления её по вертикали mu (в В/см, мВ/см) будет точно соответствовать цифрам, на которые указывают риски ступенчатых регуляторов, находящихся на одной оси с ручками плавной регулировки.

4.4. Определить сигнальный и корпусной (общий) выводы у коаксиального кабеля, подключенного ко входу “ У ”.

4.5.Включить стенд (см. порядок включения на с.5). Установить на выходе блока ГС синусоидальное напряжение максимальной амплитуды и частоты.

4.6.Подсоединить общий выход коаксиального кабеля к штепсельному гнезду ГС, а сигнальный выход кабеля – к гнезду Um.

4.7.Добиться устойчивости изображения синусоиды на экране ЭЛТ. Зарисовать в отчет осциллограмму с указанием на ней цены деления mt иmu.

5.Обработка результатов измерений

5.1.По осциллограмме определить амплитуду и частоту импульсного и синусоидального напряжений:

где lu - отклонение луча по вертикали, см, соответствующее амплитудам напряжений; lt -горизонтальное отклонение луча, соответствующее периоду напряжений.

5.2. Определить относительную погрешность измерения амплитуды и пог-решность измерения частоты в процентах.

Вопросы к защите

1.Пояснить назначение входа “X”.

2.Какие функции выполняет блок синхронизации?

8

3.В чем различие между непрерывным и ждущим режимами генератора развертки?

4.В чем заключается принцип развертки изображения сигнала на экране ЭЛТ?

5.Каким образом производится измерение амплитуды и частоты электрических сигналов с помощью осциллографа?

Лабораторная работа №2

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1. Цель работы

Изучить вольт-амперные характеристики диода, стабилитрона, фотодиода, светодиода. Получить их видимое изображение и определить по нему параметры диодных элементов. Получить навыки использования диодов для нелинейного преобразования сигналов.

2. Введение

Полупроводниковые диоды – это приборы с одним p-n переходом и двумя выводами, обладающие свойством односторонней проводимости тока. Условное обозначение диода приведено на рис.3. Треугольник в обозначении символизирует анод диода, а короткая черточка – его катод. Вершина треугольника указывает направление проводимости тока. Вольтамперная характеристика (BAX) германиваемых (Ge) и кремниевых (Si) диодов несимметрична (см. рис.3) и с достаточной для практики точностью описывается выражением

Ig=Io (exp Uϕg −1), (2)

m T

где Iо - обратный или тепловой ток; m = 1-2 - коэффициент, учитывающий технологию изготовления диодов; ϕТ - температурный потенциал, при комнатной температуре равный 25,5 мВ.

Из рис.3 видно, что для положительных относительно катода или прямых напряжений диод имеет малое сопротивление, а для отрицательных или обратных напряжений сопротивление диода велико и он тоже практически не проводит. Для каждой точки BAX можно ввести понятия статического и динамического сопротивлений. Статическое определяется отношением постоянного напряжения на диоде к постоянному значению тока, а динамическое – отношением малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока:

9