Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум
.pdf
За счет ∆I
входной цепи ОУ появляется дифференциальный сиг-
вх
нал даже при отсутствии внешнего усиливаемого напряжения. Так
как значение К
очень велико, это приводит к появлению на выходе
y
большого постоянного напряжения, иногда превышающего пределы
допустимого для нормальной работы ОУ. Для того чтобы установить
выходное напряжение на нулевом уровне, приходится подавать на
вход некоторое постоянное напряжение U
В зависимости от типа и качества усилителя напряжение U
– напряжение смещения.
см
может
см
составлять от 50 мкВ до 5 мВ.
В некоторых ОУ предусматривается внутренняя балансировка для
автоматической установки выходного напряжения на нулевом уровне. В других усилителях имеются специальные выводы для подключения внешних переменных резисторов для балансировки.
При нормальной работе выходное напряжение ОУ не должно превышать значений U
– наибольшего неискаженного выходного
вых max
напряжения при заданной нагрузке.
Выходное сопротивление R
ОУ делают как можно меньшим.
вых
Оно обычно составляет 100…1000 Ом. Быстродействие ОУ принято
характеризовать параметром V
– скоростью изменения выходного
Uвых
напряжения микросхемы при воздействии импульса максимального
входного напряжения прямоугольной формы. Обычно максимальная
скорость изменения выходного напряжения ОУ составляет
(0,1...5)
В/мкс, что соответствует верхней граничной частоте усили-
ваемых сигналов около 1 МГц.
Основные схемы включения ОУ
Для
анализа приведенных ниже основных схем включения ОУ
будем предполагать, что ОУ имеют параметры, близкие к параметрам «идеальных» ОУ:
очень большой коэффициент усиления;
–
напряжение смещения близко к нулю;
–
очень большое входное сопротивление (входные токи близки к
–
нулю);
выходное сопротивление очень мало.
–
Первое из приведенных предположений приводит к тому, что во
всем диапазоне рабочих выходных напряжений ОУ разность напряжений на входах усилителя близка к нулю. Действительно, при максимальном выходном напряжении U
входное напряжение ОУ
вых max
составляет
51
U
2
1
UR
UR
1
UIR
.
1
RR
=
U
вых max
вх
. (2.3)
К
у
На рис. 2.2 показана схема инвертирующего усилителя с приме-
нением ОУ.
Рис. 2.2. Схема инвертирующего усилителя с применением ОУ
Используя предположения, сделанные ранее из формулы (2.2),
получаем
К ==−
инв
вых
вх
. (2.4)
Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется лишь соотношением сопротивлении резисторов обратной связи а на входе. Фаза на выходе усилителя противоположна
фазе входного сигнала (значение К
отрицательное).
инв
Определим входное сопротивление усилителя
Следовательно, входное сопротивление R
вх
инв
вх
. (2.5)
=
1
U
вх
==
I
1
равно
вх.инв
. (2.6)
Входное сопротивление может быть сделано очень малым при соответствующем выборе Т1.
Выходное сопротивление R
усилителя за счет отрицательной
вых.инв
обратной связи также уменьшается и составляет
52
R
12
RR
.
3
y
K
R
вых.инв
вых
≅
+
I
, (2.7)
R
1
К
у
R
2
где R
– выходное сопротивление ОУ.
вых
На рис. 2.3 показана схема неинвертирующего усилителя с применением ОУ. Здесь входной сигнал попадает на инвертирующий
вход, обратная связь с выхода подается через делители R
, R1 на ин-
2
вертирующий вxoд.
Рис. 2.3. Схема неинвертирующего усилителя с применением ОУ
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя К
К
неинв
+
=
. (2.8)
R
1
неинв
равен
Так же как и в предыдущем случае, коэффициент усиления определяется лишь параметрами внешних элементов и в незначительной
степени параметрами самого ОУ. Отличительной особенностью неинвертирующего усилителя является его большое входное сопротивление
⎛⎞
R
где R
RRRI
вх
– входное сопротивление ОУ.
вх
≅+ +
неинв
вх
1
⎜⎟
R
⎝⎠
, (2.9)
2
53
Выходное сопротивление усилителя определяется таким же образом, как и для инвертирующего, и оказывается значительно меньшим
выходного сопротивления самого ОУ.
В предельном случае при R
= 0 значение К
2
приближается к
неинв
единице и усилитель становится повторителем напряжения с чрезвычайно большим входным сопротивлением и практически нулевым
выходным сопротивлением.
Операционные усилители используются также в качестве компараторов напряжения в аналогово-цифровых преобразователях. При
этом на один из входов подается опорное эталонное напряжение, а на
другое – измеряемое. Напряжение на выводе ОУ изменяет знак (проходит через нуль), когда эталонное напряжение сравнивается с измеряемым (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Передаточная характеристика операционного усилителя
2.3. Порядок проведения работы
Построить принципиальные схемы ОУ с моделью $GENERIC_N,
представленные на рис. 2.2 и 2.3 В качестве сопротивлений R
взять сопротивление с именем VALUE=. Отобразить номера узлов
загруженной схемы, выполнив команду Options/View/Node Numbers
(
или нажав пиктограмму на панели инструментов). Включить
показ токов, протекающих в схеме, нажав на кнопку .
54
и R2
1
Задание
Выполнить
анализ по переменному току AC analysis и по постоянному току DC
analysis:
построить передаточную характеристику ОУ;
1)
определить напряжение смещения нуля;
2)
определить коэффициент усиления;
3)
найти значения максимальных выходных напряжении ОУ;
4)
определять величину и направление входного тока ОУ;
5)
сделать оценку погрешности измерения коэффициента усиле-
6)
ния и напряжения смещения.
анализ переходных процессов TRANSIENT Analysis,
2.4. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
принципиальную электрическую схему ОУ;
–
схему измерений параметров;
–
краткие справочные данные испытуемых ОУ;
–
таблицы расчета параметров с оценкой погрешностей;
–
графики передаточных характеристик.
–
Библиографический список
1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие
для вузов. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2004.
Щука А.А. Электроника: Учеб. пособие для вузов. − СПб.: БХВ-
2.
Петербург, 2005.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные области применения ОУ.
Объясните по принципиальной электрической схеме устройство
2.
интегрального ОУ.
Каковы основные параметры ОУ?
3.
Какие значения параметров должны быть у «идеального» ОУ?
4.
Объясните назначение и работу генераторов тока в интеграль-
5.
ном ОУ.
С какой целью для питания ОУ применяется источник с двумя
6.
полярностями напряжения?
Объясните назначение обратной связи в схеме измерения пара-
7.
метров ОУ.
55
8. Объясните работу ОУ в схеме инвертирующего усилителя.
Объясните работу ОУ в схеме неинвертирующего усилителя.
9.
Каковы отличительные особенности инвертирующих и неин-
10.
вертирующих усилителей на базе ОУ?
Почему коэффициенты усиления инвертирующих и неверти-
11.
рующих усилителей на ОУ с обратными связями практически не зависят от параметров самих ОУ?
Как оценивается быстродействие ОУ?
12.
Как измеряется входной ток ОУ? Как определить ого направ-
13.
ление?
Каково назначение цепей коррекции частотной характеристи-
14.
ки ОУ?
Опишите основные статические и динамические параметры
15.
интегральных ОУ.
56
Лабораторная работа 3
Исследование базовых логических
ТТЛ элементов
3.1. Цель работы
Целью лабораторной работы является приобретение навыков логического проектирования комбинационных цифровых устройств,
практическая реализация таких устройств на логических элементах,
экспериментальная проверка правильности их функционирования.
3.2. Теоретическое введение
В цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и
обработки информации используют устройства, осуществляющие
логические операции.
Логическая операция – это преобразование по правилам алгебры
логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную. Простейшее в функциональном отношении логическое устройство, выполняющее одну определенную логическую операцию
над входными сигналами, называют логическим элементом.
Логические элементы предназначены для выполнения простейших логических операций следующего типа:
логические элементы «ИЛИ» выполняют операцию логического
–
сложения (дизъюнкция);
логические элементы «И» выполняют операцию логического
–
умножения (конъюнкция);
– логические элементы «НЕ» выполняют операцию логического
отрицания (инверсия).
Сочетание
ной функции ИЛИ-НЕ. Аналогично, сочетание функции И с инверсией приводит к комбинированной функции И-НЕ. Функции ИЛИНЕ и И-НЕ − самые распространенные, так как на их основе можно
реализовать любую логическую функцию.
На основе указанных логических элементов спроектированы и построены практически все элементы и функциональные узлы цифровой и вычислительной техники. В зависимости от применяемых
функции ИЛИ с инверсией приводит к комбинирован-
57
схемных решений и элементной базы логические элементы подразделяются на следующие разновидности:
ДЛ (диодная логика);
–
ДТЛ (диодно-транзисторная логика);
–
ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика);
–
ЭСЛ (логические элементы со связанными эмиттерами).
–
В алгебре логики истинность суждения или высказывания о результатах той или иной логической операции обозначают символом 1, ложность – 0. Таким образом, логические переменные в алгебре логики принимают лишь два значения: единицу и нуль. Их называют двоичными переменными. Чтобы реализовать алгебру логики
на электронных элементах, необходимо значение параметров этих
элементов перевести на язык алгебры логики (0 или 1). Задавать значения параметров можно уровнем напряжения или полярностью импульсов.
Если сигналы подают в виде высокого (положительной или отрицательной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным.
Если высокому уровню напряжения U
ница», а низкому U
позитивной), в противном случае – отрицательной (негативной).
(
0
– «нуль», то логику называют положительной
1
приписывают значение «еди-
Логические элементы можно представить в виде электронного
устройства, имеющего несколько входов и один выход (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Логические элементы
Входные сигналы (A, B, C, D) и выходной сигнал (F) могут принимать только два значения – или уровень логического нуля (0), или
уровень логической единицы (1).
58
Базовые схемы элемента ТТЛ
Простейший
логический элемент (рис. 3.2) строится на базе много-
эмиттерного транзистора VTm, выполняющего функцию И для сигналов, подаваемых на его эмиттеры, и транзисторного ключа (VT1), выполняющего функцию НЕ. Если на всех входах высокие уровни напряжения (А = 1 и В = 1), закрыты эмиттерные переходы VTm, откры-
вается переход база-коллектор этого транзистора и ток I открывает и
насыщает ключевой транзистор VT1, формируя на выходе низкий уровень напряжения (F = 0). Если хотя бы на одном из входов низкий
уровень напряжения, ток I переключается в выходную цепь источника
сигнала, закрывая VT1. При этом F = 1. Таким образом, схема реализует таблицу истинности логического элемента 2И-НЕ.
Рис. 3.2. Схема простейшего логического элемента
Для повышения быстродействия выходной ключ выполняют по
схеме сложного инвертора (рис. 3.3).
При А = В = 1 открыты транзисторы VT2, VT1 (транзистор VT3
закрыт), и емкость нагрузки быстро разряжается через сопротивление открытого ключа VT1. Для любой другой комбинации входных
сигналов емкость нагрузки имеет возможность быстро зарядиться до
высокого уровня напряжения через низкое выходное сопротивление
эмиттерного повторителя VT3 (VT2 и VT1 закрыты).
59
Рис. 3.3. Базовая схема элемента ТТЛ
3.3. Порядок проведения работы
Собрать схему, показанную на рис. 3.3, с моделью $GENERIC_N,
взяв необходимые данные из табл. 3.1.
Таблица 3.1
Исходные параметры резисторов
Вариант R
1 0,85 4 1,5 0,1
2 0,86 3,8 1,6 0,12
3 0,87 3,6 1,7 0,14
4 0,88 3,4 1,8 0,16
5 0,89 3,2 1,9 0,18
6 0,9 3 2 0,2
7 0,91 2,8 2,1 0,22
8 0,92 2,6 2,2 0,24
9 0,93 2,4 2,3 0,26
10 0,94 2,2 2,4 0,28
11 0,95 2 2,5 0,3
12 0,96 1,8 2,6 0,32
13 0,97 1,6 2,7 0,34
14 0,98 1,4 2,8 0,36
15 0,99 1,2 2,9 0,38
60
, кОм R1, кОм R2, кОм R3, кОм
б
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]