Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные и микропроцессорные устройства. Учебное пособие
.pdf
с выходными токами ОУ, что приведет к усилению воздействия неидеальности ОУ на работу схемы.
Инвертирующий ОУ
ОУ при подаче сигнала на инвертирующий вход при усилении изменяет полярность выходного сигнала на противоположную. При передаче синусоидального сигнала осуществляется сдвиг фазы на 180°.
В стенде исследуется ИУ с ООС, входной сигнал и сигнал ОС подают
на инвертирующий вход, при этом происходит сложение токов I
I
. Коэффициент усиления схемы
ОС
= –RОС/R1,
k
u
и
вх
где R
– сопротивление в цепи ОС; R1 – сопротивление в цепи вход-
ОС
ного сигнала.
Введение ООС в схему усилителей позволяет улучшить их параметры: повысить стабильность k
, уменьшить выходное сопротивле-
u
ние, расширить линейную область передаточной характеристики и
снизить искажения при передаче сигналов большой амплитуды. При
этом, однако, несколько снижается коэффициент усиления.
Сумматор
Схема инвертирующего сумматора собрана на ОУ с параллельной
ООС на инвертирующий вход. Выходное напряжение представляет
собой сумму входных напряжений с соответствующими коэффициентами усиления по каждому каналу:
U
Меняя R
= – (U
вых
или входные сопротивления, мы меняем коэффициенты
ОС
вх1RОС/R1
+ U
вх2RОС/R2
).
усиления входных сигналов.
Триггер
Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмидта. Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмидта строится на компараторе с
ПОС. На стенде исследуется инвертирующий триггер Шмидта.
При большом положительном входном напряжении U
выходное напряжение равно –U
. При уменьшении Uвх выходное
вых max
= U1 – U2
вх
61
напряжение скачком изменится до +U
× R
/(R3 + R2); затем при увеличении напряжения до U
2
× R
/(R3 + R2) компаратор скачком изменит свое состояние до –U
2
вых max
, причем U
выкл
вкл
= –U
= +U
вых max
вых max
вых max
×
×
С помощью триггера Шмидта можно формировать напряжение прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы.
Интегратор
Интегратор создан на базе инвертирующего ОУ. В цепь ОС включен конденсатор, поскольку R
→∞, то ic = –iвх = –Uвх/R1. Напряжение
вх
между входами ИМС в линейном режиме работы ОУ равно нулю, поэтому U
Поскольку у нас U
вых
= Uc.
(t) = const и по прошествии определенного вре-
вх
мени ключ К замыкается, что вызывает разряд конденсатора, из-за чего
мы имеем нулевые начальные условия, то U
= –Uвхt / (R1C).
вых
Величина емкости влияет на постоянную времени, т. е. на темп изменения выходного сигнала.
ГЛИН
Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной и треугольной формы. Эти схемы
строятся на основе интегратора. Конденсатор С
ника постоянного тока и напряжение на нем
t
1
UIdttU
cc
CC
0
I
заряжается от источ-
1
(0)
.
.
С интервалом времени t
замыкается ключ К, управляемый источ-
1
ником прямоугольных импульсов, и конденсатор разряжается через
ключ до нуля, после чего ключ К размыкается, и процесс повторяется.
Так формируется пилообразное напряжение ГПН.
Если на вход интегратора подано положительное постоянное
напряжение U
> 0, то напряжение на выходе уменьшается по линей-
вх
ному закону:
t
UUdtU tU
вых вх вых вых
1
RC RC
11 11
0
(0) (0)
62
U
вх
.
При отрицательном входном напряжении Uвх < 0 выходное напря-
R
жение нарастает по линейному закону:
t
UUdtUtU
вых вх вых вых
1
() (0) (0)
RC RC
11 11
0
U
вх
.
Таким образом, при подаче на вход интегратора меандра на выходе
будет формироваться треугольное напряжение ГТН.
Мультивибраторы
Ждущий мультивибратор (ЖМВ) или одновибратор является формирователем одиночного импульса прямоугольной формы и фиксированной длительности, возникающего на выходе при поступлении на
вход запускающего короткого импульса. Длительность импульса ЖМВ
определяется параметрами схемы, а частота выходных импульсов
определяется входной частотой.
Время импульса одновибратора определится как t
Время восстановления одновибратора –
tRC
в 31
ln
RR
45
2
R
45
Автогенераторный мультивибратор работает без подачи входного
сигнала и генерирует периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы. Источником напряжения является входная цепь ОУ,
функции ОУ аналогичны ОУ в одновибраторе. Изменение частоты
АГМВ производится изменением параметров схемы. Время импульса
определим по формуле t
= R1C1 ln (1 + 2R3/R2).
и
= R3C1 ln (1 + R5/R4).
и
.
Программа работы
1. Ознакомиться с электрооборудованием стенда, изучить назначе-
ние переключателей и регуляторов.
2. Для схемы компаратора при подаче на один вход синусоидального напряжения снять зависимость скважности от постоянного
напряжения на другом входе.
3. Для схем компаратора, инвертирующего усилителя, неинвертирующего усилителя, сумматора, триггера:
63
– снять и построить передаточные характеристики U
= f(Uвх),
вых
причем, если схема имеет два входа, то поочередно напряжение на одном из входов задается постоянным и снимается зависимость от другого входа;
– заосциллографировать U
, U
вх
при синусоидальном напряжении
вых
одного из источников;
– проследить влияние сопротивлений обратной связи на характери-
стики исследуемых схем.
4. Для схем мультивибраторов, интегратора, ГПН, ГТН:
– снять временные диаграммы U
, Uвх = f(t);
вых
– измерить длительность и период выходных импульсов;
– по результатам измерений рассчитать коэффициент заполнения и
частоту выходных импульсов;
– посмотреть влияние емкости на характеристики исследуемых
схем.
5. Сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Пояснить работу схем решающих усилителей.
2. Пояснить влияние ООС на стабилизацию k
3. От чего зависит длительность импульса мультивибратора?
4. От чего зависит ширина зоны гистерезиса у триггера Шмидта?
5. Чем отличается работа ГПН и ГТН?
6. Нарисовать временны´ е диаграммы, поясняющие работу исследу-
емых схем.
ОУ.
u
64
IV. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ ИМС
1. Коэффициент разветвления по выходу – K
, показывает число
раз
единичных нагрузок, которое можно подключить к выходу логического элемента.
2. Коэффициент объединения по входу – K
входов, по которым реализуется логическая функция.
3. Уровень логической единицы – U
4. Уровень логического нуля – U
5. Логический перепад – U
= U 1 – U 0, показывает разницу уров-
л
1
.
0
.
, показывает число
об
ней логической единицы и логического нуля.
6. Порог переключения – U
ром происходит резкое изменение выходного напряжения.
7. Помехоустойчивость – U
– это входное напряжение, при кото-
пор
+
–
, U
п
, показывает наибольшее напря-
п
жение положительной или отрицательной помехи, при которых не
происходит изменение уровня выходного напряжения логического
элемента.
8. Время задержки распространения сигнала при включении (t
и выключении (t
0,1
). Эти величины определяются при переходе
зд.р
зд.р
1,0
напряжения с единицы на нуль (с нуля на единицу) на уровне 0,5 от
максимального напряжения на выходе или на уровне порога переключения. Обычно эти времена разные, и для оценки быстродействия используют среднее время задержки распространения сигнала (t
зд.р.ср
),
которое находится как среднее арифметическое от времени задержки
при включении и выключении.
9. Потребляемая мощность – Р
. Средняя величина потребляе-
потр.ср
мой мощности находится как среднее арифметическое от мощности,
потребляемой при уровне логической единицы и при уровне логического нуля на выходе.
)
Система условных обозначений ИМС
По принятой системе обозначение микросхемы должно состоять из
четырех элементов.
Первый элемент – цифра, соответствующая конструктивно-техно-
логической группе. Цифры 1, 5, 7 обозначают полупроводниковые
65
микросхемы (7 – бескорпусные), т. е. такие микросхемы, все элементы
и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Цифры 2, 4, 8 – гибридные микросхемы,
содержащие кроме элементов простые и сложные компоненты (например, многокристальная микросхема). Цифра 3 – прочие микросхемы.
Второй элемент – две-три цифры, присвоенные данной серии как
порядковый номер разработки. Таким образом
, первые два элемента
определяют полный номер серии микросхемы.
Третий элемент – две буквы, соответствующие подгруппе и виду,
именно они определяют функциональное назначение микросхемы.
Четвертый элемент – порядковый номер разработки микросхемы в
данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку микросхем.
Пример. 155ЛА1 – полупроводниковая микросхема (1) с порядковым
номером серии 55, являющаяся логическим (Л) элементом И-НЕ (А) и
номером разработки 1 в данной серии по функциональному признаку.
При четырехзначном номере серии (например 1561, 8086) первую
цифру порядкового номера серии (или вторую цифру номера серии)
устанавливают в зависимости от функционального назначения микросхем, входящих в серию. Цифра 0
означает, что серия предназначена
для бытовой РЭА. Цифра 1 присваивается аналоговым микросхемам,
т. е. микросхемам, которые применяют для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Цифра 4 – микросхемам операционных усилителей. Цифра 5 – сериям цифровых микросхем, т. е. тем микросхемам, которые преобразуют и обрабатывают сигналы, меняющиеся по закону дискретной
функции.
Цифра 6 присваивается микросхемам памяти (как ОЗУ, так и ПЗУ).
Цифра 8 – сериям микропроцессоров.
Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, определяющая технологический разброс электрических параметров данного
типономинала. Например, параметры 155ЛА1А отличаются от
155ЛА1Б.
Для микросхем, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения ставится буква К
: К155ЛА1.
Микросхемы, предназначенные для экспорта (имеющие другой шаг
выводов корпуса), в начале обозначения имеют букву Э. Например:
ЭК561ЛС2.
Для характеристики материала и типа корпуса перед цифровым
обозначением серии могут быть добавлены следующие буквы: Р –
66
пластмассовый корпус типа ДИП; А – пластмассовый планарный корпус; М – металлокерамический корпус типа ДИП; Е – металлополимерный корпус типа ДИП; С – стеклокерамический корпус типа ДИП;
И – стеклокерамический планарный корпус; Н – керамический «безвыводной» корпус. Например: КР155ЛА1.
Если микросхема выполняется в бескорпусном варианте, перед номером серии ставится буква Б. Например
: Б155ЛА1.
Среди микросхем общего применения наиболее распространен
корпус типа ДИП с прямоугольными выводами, перпендикулярными
плоскости основания корпуса и выходящими за пределы проекции тела
корпуса на плоскость основания.
При чтении принципиальных электрических схем, если не указаны
номера выводов и питания интегральных микросхем (ИМС), следует
руководствоваться следующими положениями:
– для ИМС в
U
;
пит
14-выводном корпусе вывод 7 – 0V (общий), вывод 14 –
– для ИМС в 16-выводном корпусе вывод 8 – 0V (общий), вывод 16 –
;
U
пит
– для ИМС в 20-выводном корпусе вывод 10 – 0V (общий), вывод 20 – U
пит
;
– для ИМС в 24-выводном корпусе вывод 12 – 0V (общий), вы-
вод 24 – U
пит
;
– для ИМС в 8-выводном корпусе вывод 4 – 0V (общий), вывод 8 –
.
U
пит
2. ТИПЫ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ
В настоящее время существует достаточно много различных серий
логических микросхем, основанных на разных типах логики. В данном
разделе будет дан краткий обзор всех существующих серий с их характерными особенностями. Основные характеристики сведены в
табл. 4.1.
2.1. РТЛ
Резисторно-транзисторная логика – самая старая и уже давно не
применяющаяся серия логических элементов. Эта серия основана на
использовании резисторов и транзисторов для реализации логических
функций (рис. 40). Основные характеристики данной серии можно посмотреть в табл. 4.1, приведенной ниже.
67
Таблица 4.1
Основные характеристики различных типов ИМС
Серия Р
, мВт U1, В U0, В K
потр
раз
U
, В U
пит
+
, В t
п
зд.р.ср
, нс
РТЛ 3…5 1,5…2 0,2 4 3 0,5 100
ДТЛ 10…15
ТТЛ 10…15
2,5 0,5
2,8 0,5
12 3…5 40…100
10 5 0,4 10…20
ЭСЛ 20…35 –0,7…–0,9 –1,5…–2 15 –5 0,15 3…7
И2Л 0,01…0,1 – – 3…5 1 0,05 10…100
МОП 0,4…5
КМОП 1…5
*
Для высокоскоростной МОП-логики; некоторые ячейки в таблице не заполнены
в связи с отсутствием данных.
7 1
8,2 0,3
100 9 0,3Еп 200
20
5…9
12...27
*
1…1,5
5…8
*
20…200
Рис. 40. Элемент ИЛИ-НЕ
в РТЛ
2.2. ДТЛ
Диодно-транзисторная логика (156 серия) – также достаточно старая и неупотребляемая в настоящее время серия логических микросхем. Реализация логических функций осуществляется резисторами,
диодами и транзисторами (рис. 41).
68
Рис. 41. Элемент И-НЕ в ДТЛ
2.3. ТТЛ
Транзисторно-транзисторная логика (133, 155, 555, 531 серии) –
достаточно широко используемый тип логических элементов, основывающийся на использовании биполярных транзисторов.
Данный тип логики подразделяется: на обычную ТТЛ, быстродействующую ТТЛШ, маломощную ТТЛШ. ТТЛШ – транзисторнотранзисторная логика с использованием диодов Шоттки, которые
улучшают динамические показатели логических элементов (рис. 42).
Сравнительный анализ основных параметров приведен в табл. 4.2.
Особенности
Микросхемам этого типа свойственна генерация токов помех при
переключениях. Данная проблема разрешается установкой высокочастотных конденсаторов между шинами питания и «земли» непосредственно у корпуса микросхемы.
Рис. 42. Элемент И-НЕ в ТТЛ и ТТЛШ
69
Входы микросхем данной серии нельзя оставлять неподключенными. Обязательно соединение входов либо с «землей», либо с шиной
питания через резистор 1…2 кОм.
Возрастание нагрузки снижает уровень логической единицы на выходе, поэтому коэффициент разветвления по выходу микросхем этой
серии относительно мал.
Таблица 4.2
Сравнение различных серий ТТЛ
Параметр
ТТЛ
Быстродействующая
ТТЛШ
Маломощная
ТТЛШ
К155 К531 К555
U
пит
t
, нс 15…25 3…7 10…15
зд.р.ср
11
вых вх
00
вых вх
U
/UU
/UU
+
, В 0,4 0,5 0,7
п
2,4 / 2 2,7 / 2 2,5 / 2
0,4 / 0,7 0,5 / 0,8 0,4 / 0,8
5 В 5 %
Схемы с открытым коллектором
Это схемы ТТЛ без нагрузочного повторителя (рис. 43). Такие схемы допускают объединение выходов, которые соединяются с шиной
питания через общий резистор.
ходов обычных ТТЛ-схем недопустимо!
Схемы с открытым коллектором позволяют осуществить связь различных частей схемы, работающих от разных источников питания при
разных уровнях напряжения.
Недостатки: пониженные быстродействие и помехоустойчивость
по сравнению со схемами с активной нагрузкой.
Использование схем с открытым коллектором рекомендуется в
трех широко распространенных случаях.
Обратите внимание: объединение вы-
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]