Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Короткова Електротехника и електроника Основы микроелектроники 2010

.pdf
Скачиваний:
92
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
1.41 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Н.А. Короткова, А.К. Осипов

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА: ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторный практикум

Москва 2010

УДК 621.3(076.5)+621.38(076.5)

ББК 31.2я7+32.85я7 К 68

Короткова Н.А., Осипов А.К. Электротехника, электроника: основы микроэлектроники. Лабораторный практикум.: учебнометодическое пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 60 с.

Предназначено для студентов факультета кибернетики, обучающихся по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Сборник содержит четыре лабораторные работы, которые проводятся по данному курсу. Первая работа знакомит студентов с принципами работы, основными характеристиками и параметрами усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Вторая работа помогает понять принцип построения усилительных каскадов и других аналоговых схем на интегральных операционных усилителях. Третья работа посвящена ключу на биполярном транзисторе с резистивной схемой управления. Четвѐртая работа знакомит с принципами проектирования генераторов прямоугольных импульсов на логических элементах. Содержание учебного пособия полностью соответствует утверждѐнной программе курса.

Рецензент проф. Ю.А. Волков

Рекомендовано к изданию редсоветом НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1289-0

© Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

 

Лабораторная работа 1. Усилительный каскад на биполярном

4

транзисторе

Лабораторная работа 2. Интегральный операционный

19

усилитель

Лабораторная работа 3. Ключ на биполярном транзисторе

28

с резистивной схемой управления

Лабораторная работа 4. Генераторы прямоугольных

48

импульсов на логических элементах

Список литературы

57

Приложение. Оформление лабораторных работ

58

3

БЭпр

Лабораторная работа 1

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Цель: изучение основных характеристик и параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе (БТ), включѐнном по схеме с общим эмиттером, ознакомление с методикой измерения параметров каскада.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Идеальный усилитель представляет собой линейную схему, т.е. его передаточная характери-

стика U вых (U вх ) линейна во всем диапазоне изменения амплитуды

входного сигнала.

Режим по постоянному току (статический режим усилителя).

Биполярный транзистор усиливает только в активном режиме работы. Нормальный активный режим работы характеризуется прямым смещением эмиттерного перехода и обратным смещением коллекторного перехода. Чтобы обеспечить прямое смещение эмиттерного перехода, потенциал базы должен превышать потенциал эмиттера на величину падения напряжения на прямосмещен-

ном переходе U . Этот параметр составляет в зависимости от

материала, из которого изготовлен транзистор, примерно 0,6–0,7 В для кремниевого БТ и 0,2–0,4 В для германиевого. В соответствии с кусочно-линейной аппроксимацией входной вольт-амперной ха-

рактеристики (ВАХ) БТ при значении U БЭ =U БЭпр ток I Б может быть любой величины (рис. 1.1, а). Для задания конкретного значения тока базы используются источник питания Eип и резистор с сопротивлением RБ . Рабочая точка Q1 на входной характеристике определяется пересечением ВАХ и линии, проведѐнной между точ-

ками U Eип , I

Eип

. Установленный таким образом постоян-

 

 

RБ

 

4

ный ток базы I Б* называется режимным. Режимному базовому току I Б* соответствует выходная вольт-амперная характеристика I К (U КЭ ) (рис. 1.1, б). Для задания конкретного режимного значе-

ния тока коллектора I К* также используется источник питания Eип и резистор с сопротивлением RК (рабочая точка Q2 ). Совокупность координат рабочих точек Q1 и Q2 обеспечивает режим тран-

зистора по постоянному току, т.е. в отсутствии входного сигнала на выводах транзистора имеются постоянные режимные потенциалы

U Б* , U Э* ,

U К* , а в базе, эмиттере и коллекторе протекают режим-

ные токи I Б* , I Э* и I К* .

 

 

IБ

 

IК

 

 

Eип/RБ

 

 

 

 

 

 

 

 

Q2

 

 

 

 

IК*

 

IБ*

IБ*

 

Q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UКЭ*

 

 

 

UБЭ*=UБЭпр Eип UБЭ

Eип UКЭ

 

 

 

а

 

б

 

 

Рис. 1.1. Характеристики БТ: а – входная; б – выходная

Необходимость установления и поддержания режима по постоянному току приводит к тому, что схема усилительного каскада, собранного на БТ с общим эмиттером, содержит элементы, обеспе-

чивающие режим БТ по постоянному току: Eип , RБ , RК (вместо одного резистора RБ используется делитель R1R2) (рис. 1.2).

5

 

 

Еип

 

 

 

 

 

 

R1

 

RК

 

 

 

 

 

 

С2

 

 

 

С1

 

Т

 

 

RГ

 

 

 

 

 

 

R2

RЭ

С

 

 

 

 

 

U

 

Э

RН

 

Г

 

 

 

 

Рис. 1.2. Усилительный каскад на БТ с общим эмиттером

Так как источник входного сигнала U Г либо не имеет постоян-

ной составляющей сигнала, либо еѐ величина не совпадает с требуемой для установки режима транзистора, то необходимо разделить по постоянной составляющей источник сигнала и усилительный каскад. Для этого используется разделительный конденсатор С1. Аналогично поступают с нагрузкой, разделяя выход каскада и

нагрузку RН по постоянному току с помощью конденсатора С2. Режим по постоянному току должен быть стабильным, т.е. мало

изменяться при случайных изменениях Eип . Для стабилизации ре-

жима обычно используют отрицательную обратную связь (ООС), уменьшающую любые отклонения от режима. Причѐм сопротивление обратной связи выбирается так, чтобы на постоянном токе глубина ООС была максимальной, а на средних и высоких частотах минимальна. Это обеспечивает уменьшение отклонений напряжений и токов (стабилизацию) только по постоянному току. Для этого в эмиттере БТ используют комплексное сопротивление обратной

связи, состоящее из параллельного включения резистора RЭ и кон-

денсатора

CЭ .

Емкостное

сопротивление

конденсатора

X C

1

мало на высоких частотах и велико (

) при ω = 0,

 

ωCЭ

 

 

 

 

 

поэтому на высоких частотах модуль комплексного сопротивления

6

в эмиттере Z Э

0 (т.е. ООС отсутствует), а на постоянном токе

Z Э RЭ .

Усилитель на биполярном транзисторе усиливает не абсолютное значение тока или напряжения на базе транзистора, а его приращение относительно режимного значения. Приращению тока базы

iБ

будет соответствовать приращение тока коллектора

iК

β iБ , что и обеспечивает усиление входного сигнала.

Статические параметры усилителя. Статические параметры измеряются в установившемся режиме при медленном изменении входного сигнала, т.е. без учѐта переходных процессов.

1. Коэффициент усиления по напряжению определяется как приращение напряжения на нагрузке, отнесѐнное к вызвавшему его приращению напряжения источника сигнала (генератора),

KU

uН

.

 

 

uГ

Для усилительного каскада (см. рис. 1.2) модуль коэффициента

усиления

по

напряжению равен

K

 

 

Rвх

β RKH

, где

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RГ Rвх

rвхТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RКН

RК

RН

– параллельное соединение сопротивлений RК и

RН ;

rвхТ

rБ

βrЭ – входное сопротивление БТ со стороны базы;

rБ – объѐмное сопротивление базы транзистора; rЭ

 

φ Т

– диф-

 

I Э*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ференциальное сопротивление эмиттера;

φТ – температурный по-

тенциал, равный 25 мВ при комнатной температуре;

I Э* – режим-

ный ток эмиттера.

Данный усилитель инвертирует фазу входного сигнала, т.е. по-

ложительному приращению входного напряжения

uГ

соответст-

вует

отрицательное приращение напряжения

на

нагрузке

uН

КU uГ .

 

 

 

7

 

 

Предельный коэффициент

 

усиления

по напряжению можно

оценить по

формуле KU

 

RК

(при

следующих условиях:

 

rЭ

 

 

 

 

 

 

RН

, RГ

0, R1 R2

).

 

 

Для измерения коэффициента усиления по напряжению используется источник переменного сигнала (синусоидального или импульсного) и измерительный прибор (вольтметр или осциллограф).

2. Коэффициент усиления по току определяется как прираще-

ние тока нагрузки, отнесѐнное к вызвавшему его приращению тока

источника сигнала, K

 

iН

. Коэффициент усиления по току пе-

I

iГ

 

 

 

 

 

ресчитывается из выражения для коэффициента усиления по на-

пряжению ( KU ), а именно: K I

KU

RГ

.

 

 

 

RН

3. Входное сопротивление усилителя определяется как отноше-

ние приращения входного напряжения к приращению входного

тока, вызванному входным сигналом, R

 

uвх

. Этот параметр

вх

 

 

iвх

 

 

показывает, как усилитель нагружает источник сигнала.

Для расчѐта входного сопротивления

каскада на БТ использует-

ся теоретическое выражение Rвх R1 || R2 || rвх.Т .

Методика измерения входного сопротивления использует для определения входного тока токосъѐмное сопротивление RТС . Схе-

ма измерения входного сопротивления каскада приведена на рис.1.3. В соответствии с законом Ома входное сопротивление

равно Rвх

 

U вх

 

RТС .

U

Г U

 

 

вх

8

RТС

Усилитель

UГ ~

 

Iвх

Uвх

 

 

 

Rвх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Измерение входного сопротивления усилителя

4. Выходное сопротивление усилителя определяется как отно-

шение напряжения на нагрузке на холостом ходу к току нагрузки при коротком замыкании на выходе усилителя

R =

U Н.хх

=

u

Н . Выходное сопротивление ограничивает ток,

 

 

вых

IН.кз

 

iН

 

 

который может отдать в нагрузку усилитель. Для расчёта выходного сопротивления данного каскада используется теоретическое вы-

ражение: Rвых = RК rвых.Т RК , где rвых.Т = rКЭ ≈ ∞.

Для измерения выходного сопротивления используется следующая методика: измеряют выходное напряжение каскада на хо-

лостом ходу (U Н.хх ) и при некоторой величине сопротивления на-

грузки RН1 (U Н1 ). Тогда, с

учётом того, что ток нагрузки

I Н1

=

U Н1

, выходное сопротивление каскада равно

 

 

 

RН1

 

U Н.хх U Н1

 

 

 

 

R = R

 

.

 

 

 

Н1

 

 

 

 

вых

U Н1

 

 

 

 

 

Кроме перечисленных параметров для анализа работы усилительного каскада важны параметры, отражающие искажения величины и формы сигнала в каскаде.

Благодаря нелинейности ВАХ транзистора форма исходного (входного) синусоидального сигнала искажается тем сильнее, чем больше амплитуда входного сигнала. Это так называемые нелиней-

ные искажения.

9

Вольт-амперные характеристики транзистора можно считать линейными только в крайне малом диапазоне изменения токов и напряжений. Поэтому передаточная (амплитудная) характеристика усилительного каскада (рис. 1.4), снятая на синусоидальном сигнале, будет линейна при малых изменениях амплитуды входного сигнала, а при больших амплитудах входного сигнала еѐ наклон уменьшается, т.е. уменьшается коэффициент усиления каскада. Форма синусоидального сигнала при этом искажается.

Uвых

Uвх

Uвх.макс

Рис. 1.4. Амплитудная характеристика усилительного каскада

Таким образом, при заданном коэффициенте усиления существует максимальная амплитуда входного сигнала U вх..макс , при кото-

рой искажения формы (нелинейные искажения) не превышают заранее оговоренных величин. Максимальная амплитуда входного

сигнала при заданном коэффициенте нелинейных искажений K НИ

называется динамическим диапазоном усилительного каскада. Все статические параметры измеряются при значениях входного сигнала, лежащих в пределах динамического диапазона, а так как динамический диапазон невелик, то эти параметры также называют малосигнальными. Величина динамического диапазона зависит от выбора координат рабочей точки, т.е. от режима по постоянному току. Если рабочая точка выбрана не в середине квазилинейного участка ВАХ, то динамические диапазоны для положительного входного сигнала и отрицательного входного сигнала могут не совпадать.

Динамические параметры усилителя. Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) имеет спад на низких и высоких

10