Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Д.Н. Огородников
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Лабораторный практикум
Рекомендовано в качестве учебно-методического пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета
Издательство
Томского политехнического университета
2020
УДК 621.382.049.77(076.5)
ББК 32.844.1я73
О-39
Огородников Д.Н.
О-39 Микроэлектроника. Лабораторный практикум : учебно-
методическое пособие / Д.Н. Огородников ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2020. – 101 с.
ISBN 978-5-4387-0929-9
Пособие включает лабораторные работы по применению аналоговых интегральных микросхем: операционных усилителей, компараторов и таймера. Приведены методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Микроэлектроника». Описаны типовые схемы включения операционных усилителей, а также схемы нелинейных преобразователей, генераторов синусоидальных и импульсных сигналов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 11.03.04
«Электроника и наноэлектроника» и 12.03.04 «Биотехнические системы и
технологии».
УДК 621.382.049.77(076.5)
ББК 32.844.1я73
Рецензенты
Кандидат технических наук
профессор ТУСУРа
В.Д. Семенов
Кандидат технических наук
ведущий инженер-конструктор АО «НПЦ “Полюс”»,
В.И. Апасов
ISBN 978-5-4387-0929-9 © ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2020
© Огородников Д.Н., 2020
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2020
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 4
Правила безопасности в лаборатории .......................................................... 5
Ознакомительная лабораторная работа ........................................................ 6
Лабораторная работа № 1. Функциональные преобразователи
аналоговых сигналов на основе
операционных усилителей .............................. 8
Лабораторная работа № 2. Логарифмический
и антилогарифмический усилители ............. 20
Лабораторная работа № 3. Автогенераторы гармонических
колебаний ........................................................ 34
Лабораторная работа № 4. Генераторы импульсов
на операционном усилителе.......................... 46
Лабораторная работа № 5. Амплитудные модуляторы и детекторы ...... 59
Лабораторная работа № 6. Частотно-импульсные модуляторы .............. 67
Лабораторная работа № 7. Генераторы импульсов на таймерах ............. 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 89
Приложение А. Справочные данные .......................................................... 90
Приложение Б. Типовые схемы включения компаратора LM311 ........... 96
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Микроэлектроника» является важным звеном специальной подготовки бакалавров по направлению «Электроника и наноэлектроника», обеспечивая необходимую теоретическую и практическую базу для последующего изучения ряда профильных дисциплин.
Основная задача изучения дисциплины – дать будущим специалистам в области разработки и применения современных электронных
устройств необходимый объем знаний, обеспечивающий грамотное использование
различного назначения.
Развитие умения и навыков грамотного выбора и применения аналоговых интегральных схем во многом определяет надежность, энергетические показатели, быстродействие, массу, габариты и другие технико-экономические характеристики разрабатываемой электронной аппаратуры.
Практикум включает лабораторные работы по применению аналоговых интегральных микросхем:
таймера. Описаны типовые схемы включения операционных усилителей, а
также схемы нелинейных преобразователей, генераторов синусоидальных
и импульсных сигналов. Теоретические сведения, методические указания
и контрольные вопросы по каждой лабораторной работе позволят студентам более детально разобраться с принципом работы исследуемых интегральных схем, а также приобрести практические навыки работы
рительными приборами, сборки и настройки электронных схем.
аналоговых интегральных схем в электронных устройствах
операционных усилителей, компараторов и
с изме-
4
ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ В ЛАБОРАТОРИИ
К выполнению лабораторных работ по дисциплине «Микроэлектроника» допускаются студенты, изучившие инструкцию по охране
труда при выполнении лабораторных работ.
1. Готовьтесь к каждой лабораторной работе, прочитав все зада-
ния и изучив методические указания к выполнению данной работы. Таким образом, вы уменьшаете вероятность несчастного случая.
2. В лаборатории не разрешается принимать
3. Внимание! В лаборатории есть напряжение 230 В, которое
опасно для жизни!
4. Во избежание опасности поражения электрическим током не
используйте сломанные устройства и оборудование! При обнаружении
неисправности в работе электрических устройств, находящихся под
напряжением, повышенном их нагревании, появлении искрения, специфического запаха горелой изоляции и т. д. немедленно отключить
точник электропитания и сообщить об этом преподавателю или ответственному в лаборатории.
5. Запрещено перемещать и ремонтировать оборудование.
6. Только методические пособия, лабораторные тетради, письмен-
ные принадлежности, лабораторные материалы и оборудование должны
быть на вашем рабочем месте. Все остальные предметы, такие как верхняя одежда, книги и сумки, следует
хранить вдали от рабочей зоны.
7. В случае любого несчастного случая или травмы немедленно
сообщите об этом преподавателю или ответственному в лаборатории,
чтобы можно было предпринять быстрые и правильные действия.
8. В случае возникновения серьезной аварийной ситуации, созда-
ющей угрозу для жизни и здоровья, обучающиеся должны быть готовы
быстро и организованно
покинуть кабинет.
пищу.
ис-
5
ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью лабораторной работы является изучение способа подключения операционного усилителя (ОУ) к источнику питания и способа подачи входных сигналов на схему, построенную на основе операционного усилителя.
Принципы работы с ОУ:
1. Установить на III–IV выходах лабораторного источника пита-
ния напряжения 15 В (для измерения использовать цифровой вольт
метр). Выключить источник питания.
2. Собрать схему. Для подключения лабораторного источника це-
лесообразно использовать трёхпроводный шнур. Показать схему преподавателю.
3. Подавать входной сигнал на схему после включения источника
питания!
В лабораторных работах используются: операционный усилитель
КР140УД608, компаратор LM311, таймер NE555.
Микросхема КР140УД608
входы
баланс
2
3
1
5
DA1
NC
NC
E1=E2=15
m
+U
-U
B
выход
6
7
питание
4
E1
E2
1
2
3
4
Выводы 1, 5 – балансировка
Вывод 8 – не используется
KP140
УД608
8
7
6
5
-
Рис. 0.1. Назначение выводов операционного усилителя КР140УД608
Электрические параметры КР140УД608:
1) напряжение источника питания – от 5 до 18 В;
2) номинальное напряжение источника питания – 15 В.
6
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Собрать схему, показанную на
рис. 0.2. R
= 10 кОм, R2 = 100 кОм.
1
i
ос
R2
Обратите внимание, что цепи питания
R1
U
вх
i
вх
2
6
3
ОУ обычно не показывают. Назначение
выводов операционного усилителя, цоколёвка, а также способ подключения
источников питания приведены на
рис. 0.1.
2. Установить на генераторе си-
нусоидальное напряжение амплитудой
U
= 0,5 В, частотой 1000 Гц.
m
Рис. 0.2. Усилитель на ОУ
3. Подать на схему напряжение
питания и входной сигнал с генератора.
4. С помощью осциллографа пронаблюдать и зарисовать сфазиро-
ванные осциллограммы U
вх
, U
вых
.
5. С помощью цифрового вольтметра определить коэффициент
усиления схемы.
6. Увеличивая входное напряжение и наблюдая по осциллографу
выходное напряжение, определить уровни напряжений насыщения.
U
вых
7
Лабораторная работа № 1
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью лабораторной работы является изучение особенностей
функционирования базовых схем, выполняемых на основе операционных усилителей (масштабирующие усилители, сумматор аналоговых
сигналов), а также получение практических навыков проведения экспериментального исследования.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Ознакомиться с теоретическими сведениями к лабораторной
работе и рекомендованной литературой.
2. Рассчитать схему неинвертирующего усилителя на основе
рационного усилителя (ОУ) с коэффициентом усиления 11, если известно сопротивление в цепи обратной связи R
= 100 кОм (рис. 1.1).
2
3. Рассчитать схему неинвертирующего усилителя с единичным
коэффициентом усиления, если известно сопротивление в цепи обратной связи R
= 10 кОм (рис. 1.3, а).
2
4. Рассчитать схему инвертирующего усилителя на основе ОУ с
коэффициентом усиления 10, если известно сопротивление в цепи обратной связи R
= 100 кОм (рис. 1.2).
2
5. Рассчитать схему инвертирующего усилителя с единичным ко-
эффициентом усиления, если известно сопротивление в цепи обратной
связи R
= 10 кОм (рис. 1.3, б).
2
6. Рассчитать схему (рис. 1.4), суммирующую синусоидальное
напряжение U
ние U
связи R
с весовым коэффициентом 2. Сопротивление в цепи обратной
вх2
= 100 кОм.
4
с весовым коэффициентом 10 и постоянное напряже-
вх1
опе-
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Исследование неинвертирующего усилителя:
1.1. Собрать схему неинвертирующего усилителя на основе операционного усилителя с коэффициентом усиления 11 (рис. 1.1).
1.2. Зарисовать сфазированные осциллограммы входного и вы-
ходного напряжений для частоты, находящейся в полосе пропускания (f = 1 кГц).
8
1.3. Снять и построить амплитудную характеристику
U
= F(Uвх) при f = const и определить динамический диапазон
вых
усиления D
, а также коэффициент усиления KU на её линейном
у
участке. Источником входного сигнала является генератор синусоидального напряжения, частоту принять равной 1 кГц.
1.4. Снять и построить амплитудно-частотную характеристику
K
= F(f) при Uвх = const. Амплитуду входного сигнала задать по
U
полученной в предыдущем пункте амплитудной характеристике,
не заходя в область ограничения. Определить полосу пропускания усилителя и частоту единичного усиления ОУ.
1.5. Собрать схему неинвертирующего усилителя с единичным
коэффициентом усиления (рис. 1.3, а) и с помощью цифрового
вольтметра определить реальный коэффициент усиления при
U
= 0,5 В.
вх
1.6. Снять и построить амплитудную характеристику
U
= F(Uвх) неинвертирующего усилителя с KU = 1 при f = 1 кГц
вых
и определить его динамический диапазон усиления D
.
у
2. Исследование инвертирующего усилителя.
2.1. Собрать схему инвертирующего усилителя на основе ОУ с
коэффициентом усиления 10 (рис. 1.2).
2.2. Зарисовать сфазированные осциллограммы входного и вы-
ходного напряжений для частоты, находящейся в полосе пропускания.
2.3. Снять и построить амплитудную характеристику
U
= F(Uвх) при f = 1 кГц, определить реальный коэффициент
вых
усиления K
2.4. Снять зависимость U
.
U
= F(Rн) при Uвх = const и f = const.
вых
Значения сопротивления нагрузки задавать равными ∞, 51 кОм,
3 кОм, 1,1 кОм, частоту входного сигнала принять равной 1 кГц,
а амплитуду входного сигнала задать по амплитудной характеристике, не заходя в область насыщения. Построить нагрузочную
характеристику – зависимость выходного напряжения от тока
нагрузки U
= F(Iн), по характеристике определить выходное
вых
сопротивление усилителя, сравнить с теоретическим значением.
2.5. Собрать схему инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления (рис. 1.3, б). Экспериментальным путём
определить его реальный коэффициент усиления в рабочей полосе частот.
9
Внимание! Цепи питания ОУ не показаны!
Рис. 1.1 Рис. 1.2
Рис. 1.3
Рис. 1.4 Рис. 1.5
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]