Методические материалы (8) (4) (1) / Multisim Руководство пользователя и лабораторный практикум
.pdf
Рисунок 2.17 – Биполярный транзистор
Последовательность выполнения работы
1.Собрать схему (рисунок 2.17). Начальный номинал источника ЭДС
ЕБ1, начальный номинал источника ЭДС ЕК1, сопротивление – 100 кОм, транзистор 2N3904. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС.
2.Изменить номинал источника ЭДС ЕБ до ЕБ2. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС.
3.Изменить номинал источника ЭДС ЕК до ЕК2. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС. Затем установить номинал ЕК
равным ЕК1.
4.На схеме (см. рисунок 2.17) изменить номинал источника ЭДС ЕБ до
0.Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер.
5.В схеме (см. рисунок 2.17) провести измерение тока коллектора IK для каждого значения ЕК и ЕБ и заполнить таблицу 2.7. По данным таблицы построить графики IK от ЕК.
Таблица 2.7 – Данные для получения выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ
ЕК, (В)
ЕБ, (В) |
IK, (мкА) |
0,1 |
0,5 |
1 |
5 |
10 |
20 |
1,66 |
|
|
|
|
|
|
|
2,68 |
|
|
|
|
|
|
|
3,68 |
|
|
|
|
|
|
|
4,68 |
|
|
|
|
|
|
|
5,7 |
|
|
|
|
|
|
|
81
6. Установить значение источника ЕК равным 10 В и провести измерения тока базы, напряжения база-эмиттер, тока эмиттера для различных значений источника ЕБ в соответствии с таблицей 2.8.
Таблица 2.8 – Данные для получения входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ
ЕБ, (В) |
IБ, (мкА) |
ЕБЭ, (мВ) |
IK, (мА) |
1,66 |
|
|
|
2,68 |
|
|
|
3,68 |
|
|
|
4,68 |
|
|
|
5,7 |
|
|
|
7. По данным таблицы 2.8 построить график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 2.9.
Таблица 2.9 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
ЕБ1, В |
ЕБ2, В |
ЕК1, В |
ЕК2, В |
1 |
5,7 |
1,6 |
10 |
11 |
2 |
6,7 |
1,6 |
10 |
12 |
3 |
7,7 |
1,6 |
10 |
13 |
4 |
8,7 |
1,6 |
10 |
14 |
5 |
9,7 |
1,6 |
10 |
15 |
6 |
10,7 |
1,6 |
10 |
16 |
7 |
11,7 |
1,6 |
10 |
17 |
8 |
12,7 |
1,6 |
10 |
18 |
9 |
13,7 |
1,6 |
10 |
19 |
10 |
14,7 |
1,6 |
10 |
20 |
11 |
15,7 |
1,6 |
10 |
21 |
12 |
16,7 |
1,6 |
10 |
22 |
13 |
17,7 |
1,6 |
10 |
23 |
14 |
18,7 |
1,6 |
10 |
24 |
15 |
19,7 |
1,6 |
10 |
25 |
16 |
20,7 |
1,6 |
10 |
26 |
17 |
21,7 |
1,6 |
10 |
27 |
18 |
22,7 |
1,6 |
10 |
28 |
19 |
23,7 |
1,6 |
10 |
29 |
20 |
24,7 |
1,6 |
10 |
30 |
21 |
25,7 |
1,6 |
10 |
31 |
22 |
26,7 |
1,6 |
10 |
32 |
23 |
27,7 |
1,6 |
10 |
33 |
24 |
28,7 |
1,6 |
10 |
33 |
25 |
29,7 |
1,6 |
10 |
34 |
82
2.4.3 Исследование характеристик операционного усилителя
Интегральный операционный усилитель (ОУ) характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.
Средний входной ток IВХ. В отсутствии сигнала на входа ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.
Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10…20%
Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:
I ВХ |
I1 I 2 |
(2.26) |
|
2 |
|||
|
|
где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов. Разность входных токов ΔIВХ определяется выражением
ΔIВХ=I1 – I2 (2.27)
В справочниках указывают модуль этой величины.
Схема для измерения входных токов представлена на рисунке 2.18.
Рисунок 2.18 – Схема для измерения входных токов
Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К0 – показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию – усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.
Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рисунок 2.19) вычисляется по формуле
83
КУ R2
R1
(2.28)
Рисунок 2.19 – Схема усилителя на ОУ
Напряжение смещения UСМ – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.
Напряжение
напряжение ΔUВЫХ усиления:
UСМ |
ΔUВЫХ |
|
КУ |
||
|
смещения UСМ можно вычислить, зная выходное при отсутствии напряжения на входе и коэффициент
(2.29)
Входное сопротивление RВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм…10 Мом. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения ΔUВХ.СФ к вызванному приращению среднего входного тока ΔIВХ.СР:
R ВХ.СФ |
ΔU ВХ.СФ |
(2.30) |
|||
ΔI ВХ.СР |
|
||||
Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между |
|||||
входами ОУ и может быть определено по формуле |
|
||||
R ВХ.ДИФ |
ΔU ВХ |
(2.31) |
|||
ΔI ВХ |
|
||||
где ΔUВХ – изменение напряжения между входами ОУ, ΔIВХ – изменение входного тока.
Выходное сопротивление RВЫХ в интегральных ОУ составляет 20…2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление
84
нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рисунке 2.20.
Рисунок 2.20 – Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления
Скорость нарастания выходного напряжения VUВЫХ равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10 до 90% от своих установившихся значений.
VUВВЫ |
(2.32) |
UВЫХ
tуст
Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рисунке 2.21.
Рисунок 2.21 – Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения
Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
Последовательность выполнения работы
85
1.Собрать схему рисунок 2.18. Выбрать модель ОУ. Включить схему. Измерить входные токи ОУ. По результатам измерений вычислить средний входной ток IВХ и разность ΔIВХ входных токов ОУ.
2.Собрать схему рисунок 2.19. Выбрать модель ОУ. Включить схему. Записать показания вольтметра. По результатам измерения вычислить напряжение смещения UСМ, используя коэффициент усиления схемы на ОУ.
3.Собрать схему рисунок 2.20. Выбрать модель ОУ. Включить схему.
Измерить входной ток IВХ и выходное напряжение UВЫХ, записать показания. Переключить ключ клавишей [Space]. Измерить входной ток после переключения ключа. Рассчитать изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислить дифференциальное входное сопротивление ОУ.
4.Уменьшить сопротивление нагрузочного резистора R1 до тех пор, пока выходное напряжение UВЫХ не будет примерно равно половине значения, полученного в п. 3. Записать значение сопротивления RL, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению RВЫХ ОУ.
5.Собрать схему рисунок 2.21. Выбрать модель ОУ. Включить схему. Снять осциллограмму выходного напряжения. По осциллограмме определить величину выходного напряжения, время его установления и вычислить скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс.
Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 2.10.
Таблица 2.10 – Задание для самостоятельного изучения
Вариант |
|
Модель ОУ |
1 |
|
LM709 |
2 |
|
LM709A |
3 |
|
LM709C |
4 |
|
LM710 |
5 |
|
LM710C |
6 |
|
LM715 |
7 |
|
LM725 |
8 |
|
LM741 |
9 |
|
LM741A |
10 |
|
LM741C |
11 |
|
LM741E |
12 |
|
LM748 |
13 |
|
LM759 |
14 |
|
LM759C |
15 |
|
LM833 |
16 |
|
LM607AM |
17 |
|
LM607BM |
18 |
|
LM6118 |
19 |
|
LM6161 |
20 |
|
LM6162 |
21 |
|
LM6164 |
22 |
|
LM6165 |
|
86 |
|
Продолжение работы 2.10
Вариант |
Модель ОУ |
23 |
LM6261 |
24 |
LM6262 |
25 |
LM6264 |
2.4.4 Исследование логических функций
Переменные, рассматриваемые в алгебре логики, могут принимать только два значения – 0 или 1. В алгебре логики определены: отношение эквивалентности (обозначается знаком =) и операции: сложения (дизъюнкции), обозначаемая знаком , умножения (конъюнкции), обозначаемая знаком & или точкой, и отрицания (или инверсии), обозначаемая надчеркиванием или апострофом '.
Алгебра логики определяется следующей системой аксиом:
(2.33)
Запись логических выражений обычно осуществляют в конъюнктивной или дизъюнктивной нормальных формах. В дизъюнктивной форме логические выражения записываются как логическая сумма логических произведений, в конъюнктивной форме – как логическое произведение логических сумм. Порядок действий такой же, как и в обычных алгебраических выражениях.
Логические выражения связывают значение логической функции со значениями логических переменных.
Любое логическое выражение, составленное из n переменных xn, xn- 1…x1 с помощью конечного числа операций алгебры логики, можно рассматривать как некоторую функцию n переменных. Такую функцию называют логической. В соответствии с аксиомами алгебры логики функция может принимать в зависимости от значения переменных значение 0 или 1. Функция n логических переменных может быть определена для 2n значений переменных, соответствующих всем возможным значениям n-разрядных двоичных чисел.
Основной интерес представляют следующие функции двух переменных х и у:
f1(x,y)=x·y – логическое умножение (конъюнкция), f2(x,y)=x y – логическое сложение (дизъюнкция), f 3(x, y) x y – логическое умножение с инверсией,
f 4(x, y) x y – логическое сложение с инверсией,
87
f 5(x, y) x y xy xy
f 6(x, y) x y xy xy
–суммирование по модулю 2,
–равнозначность.
Физическое устройство, реализующее одну из операций алгебры логики или простейшую логическую функцию, называется логическим элементом. Схема, составленная из конечного числа логических элементов по определенным правилам, называется логической схемой.
Основным логическим функциям соответствуют выполняющие их схемные элементы.
Так как область определения любой функции n переменных конечна (2n значений), такая функция может быть задана таблицей значений f(vi), которые она принимает в точках vi, где i=0, 1…2n-1. Такие таблицы называют таблицами истинности.
Последовательность выполнения работы Собрать схему рисунок 2.22.
Рисунок 2.22 – Схема для исследования логической элемента И
В этой схеме два двухпозиционных переключателя А и В подают на входы логической схемы И уровни 0 (контакт переключателя в нижнем положении) или 1 (контакт переключателя в верхнем положении). Включить схему. Установить переключатель В в нижнее положение. Измерить вольтметром напряжение на входе В и определить с помощью логического пробника уровень логического сигнала. Установить переключатель В в верхнее положение. Определить уровень логического сигнала и записать показания вольтметра; указать какой логический сигнал формируется на выходе Y.
1. Подать на входы схемы все возможные комбинации уровней сигналов А и В и для каждой комбинации зафиксировать уровень выходного
88
сигнала Y. Заполнить таблицу истинности логической схемы И (таблица
2.11).
Таблица 2.11– Таблица истинности для элемента И
Вход А |
Вход В |
Выход Y |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
|
1 |
1 |
|
2. Собрать схему рисунок 2.23. Включить схему.
Рисунок 2.23 – Схема для исследования логической элемента И-НЕ, составленного из элементов И и НЕ
Подать на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполнить таблицу истинности логической схемы И- НЕ (таблица 2.12).
Таблица 2.12 – Таблица истинности для элемента И-НЕ, составленного из элементов И и НЕ
Вход А |
Вход В |
Выход Y |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
|
1 |
1 |
|
Собрать схему (рисунок 2.23). Включить схему. Подать на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников,
89
заполнить таблицу истинности логической схемы И-НЕ (таблица 2.13). Сравнить таблицы 2.15 и 2.13 между собой.
Таблица 2.13 – Таблица истинности для элемента И-НЕ
Вход А |
Вход В |
Выход Y |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
|
1 |
1 |
|
Рисунок 2.24 – Схема для исследования логической элемента И-НЕ
Собрать схему рисунок 2.24. Включить схему. Подать на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполнить таблицу истинности логической схемы ИЛИ (таблица 2.14).
Таблица 2.14 – Таблица истинности для элемента ИЛИ
Вход А |
Вход В |
Выход Y |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
|
1 |
1 |
|
90