Масленников Основы шемотехники електронных цепей
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Издание 2-е, с изменениями и дополнениями
Под редакцией В.В. Масленникова
Москва 2010
УДК 621.382.2.049.77(076.5) ББК 32.85я7
О-75
Основы схемотехники электронных цепей. Лабораторный практикум. Учеб-
ное пособие. Под ред. В.В. Масленникова. Изд. 2-е, с изм. и доп. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 124 с.
Авторы: В.П. Автушко, В.М. Белопольский, Н.Н. Гусева, В.В. Масленников, Н.А. Рубцов
Описания лабораторных работ 1 и 3 подготовлены проф. В.В. Масленниковым; 2 – ст. преподавателем В.П. Автушко; 4 – ст. преподавателем Н.Н. Гусевой, 5 – ст. преподавателем Н.А. Рубцовым, 6 – проф. В.М. Белопольским.
Содержит описание шести лабораторных работ. Работы 1-3 посвящены изучению аналоговых устройств, в том числе операционного усилителя. В работе 4 исследуются логические элементы. В работе 5 изучаются импульсные устройства: мультивибраторы и одновибраторы, выполненные на логических элементах и операционных усилителях. В 6 работе описаны принципы работы цифровых узлов на основе триггеров, регистров, сумматоров, счетчиков, дешифраторов.
Для углубленного изучения материала в описании каждой лабораторной работе приведен список литературы, а для самопроверки знаний при подготовке к лабораторной работе – контрольные вопросы.
Пособие предназначено для студентов факультетов «Б», «Высший физический колледж», «Т», «Ф», «У», а также для студентов, интересующихся аналоговыми и цифровыми устройствами.
Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.А. Волков
Рекомендовано к изданию редсоветом НИЯУ МИФИ
ISBN 978-5-7262-1260-9 |
© Московский инженерно-физический |
|
институт (государственный университет), 2005 |
|
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2010 |
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ........................................................................................... |
4 |
Работа 1 |
|
Компоненты электронных устройств................................................... |
5 |
Работа 2 |
|
Усилительные каскады на транзисторах ........................................... |
23 |
Работа 3 |
|
Усилители на основе микросхем ОУ ................................................. |
47 |
Работа 4 |
|
Цифровые логические элементы ........................................................ |
67 |
Работа 5 |
|
Мультивибраторы и одновибраторы |
|
на логических элементах и операционных усилителях.................... |
83 |
Работа 6 |
|
Комбинационные и последовательностные устройства................. |
102 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электроника прочно вошла в нашу жизнь. Сейчас трудно представить жизнь без телевизоров, радиоприемников, калькуляторов, компьютеров, сети Интернет и т.д. Работа же всех перечисленных приборов и систем основана на широком использовании различных достаточно сложных электронных устройств. Но эти сложные электронные устройства состоят из простейших электронных цепей, выполненных на транзисторах и микросхемах. Для изучения таких простейших электронных цепей и предназначен данный лабораторный практикум.
Следует заметить, что в последнее время благодаря интенсивному развитию цифровой электроники и методов моделирования на компьютерах можно промоделировать работу весьма сложных электронных устройств. В связи с этим возник даже соответствующий термин «виртуальная электроника». Но как бы хорошо инженер не знал и не умел смоделировать работу электронных схем на компьютере, хорошим специалистом он может стать, лишь научившись своими руками собирать электронные устройства, схемы для их измерения и проводить экспериментальные исследования.
Ведь «виртуальное» электронное устройство, какие бы хорошие результаты не получились при его моделировании, должно работать «не в принципе, а в кожухе». А при реальном воплощении электронного устройства возникает масса проблем, связанных с влиянием электромагнитных наводок, шумов, фона от источников питания, отклонения реальных значений элементов от используемых при моделировании, паразитных связей, способных полностью парализовать работу устройства. Все это в «виртуальной электронике» учесть очень трудно. Нужен практический опыт. Основы такого опыта и предлагается получить студентам при выполнении лабораторного практикума.
4
Р а б о т а 1
КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Цель: изучение простейших компонентов электронных устройств и цепей, реализованных на их основе.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Электронные устройства состоят из отдельных пассивных и активных компонентов. Из пассивных компонентов чаще всего используют резисторы, конденсаторы и диоды. В электрических цепях, составленных из пассивных компонентов, при протекании электрического тока происходит потеря части электрической энергии. При использовании активных компонентов: транзисторов и микросхем маломощный входной сигнал может привести к появлению более мощного сигнала на выходе устройства. При этом электрическая энергия выходного сигнала получается от источников питания, которые всегда используются при включении в электронное устройство активных компонентов.
В лабораторной работе изучаются пассивные RC-цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов, а также работа транзистора в усилительном режиме.
Пассивные RC-цепи
Простейшими RС-цепями являются интегрирующая и дифференцируюшая RC-цепочки.
Интегрирующая RC-цепь (рис. 1.1) представляет собой последовательно соединенные резистор и конденсатор, на которые подается входной сигнал Uг , а выходной сигнал Uвых снимается с кон-
денсатора.
5
Рис. 1.1. Интегрирующая RC-цепь
В случае, если входной генератор Uг – источник синусоидаль-
ного напряжения, для нахождения частотных характеристик цепи воспользуемся символическим методом и определим коэффициент
передачи цепи K Uвых
По второму закону Кирхгофа сумма ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений на участках цепи. Отсюда:
Uг |
IR I |
|
|
1 |
|
, |
|
Uвых |
|
I |
|
1 |
|
, |
||||
|
j |
|
|
C |
|
|
|
j C |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
I |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
K( j |
) |
|
|
|
|
j |
|
C |
|
|
|
1 |
|
, |
(1.1) |
|||
R |
|
|
|
|
1 |
|
I |
1 |
j |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
j |
|
C |
|
|
|
|
|
|
|||||
где = RC – постоянная времени RC-цепи.
Из выражения (1.1) можно получить формулы для расчета ам- плитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.
Для построения АЧХ необходимо найти модуль K( j ) . Из (1.1) получаем
|
|
K( j ) |
|
|
|
1 |
|
|
. |
(1.2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из (1.1) |
и (1.2) следует, что при = 0, т.е. при постоянном во |
||||||||||
времени Uг |
коэффициент передачи цепи равен 1. |
|
|||||||||
При увеличении |
|
K( j ) |
|
монотонно уменьшается |
и при |
||||||
=коэффициент передачи становится равным 0.
Верхней граничной частотой |
в |
называется частота, при кото- |
|
|
рой модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с
6
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
коэффициентом передачи |
при |
|
= 0 |
в 2 |
|
раз. Из (1.2) и |
|||||||||||||
|
K( j в ) |
|
1 |
|
следует, что |
2 |
2 |
1, т.е. |
1 |
. |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
в |
|
|
в |
|
|
|
|||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
На рис.1.2, а приведен вид АЧХ интегрирующей RC-цепочки. |
||||||||||||||||||
При построении учитывалось, что |
f |
|
|
|
, т.е. |
fв |
|
1 |
. |
||||||||||
2 |
|
2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 1.2. АЧХ (а) и ФЧХ (б) интегрирующей RC-цепи
Известно, что зависимость от частоты фазового сдвига выходного сигнала по отношению к входному, т.е. фазочастотная характеристика цепи, определяется как арктангенс отношения мнимой части коэффициента передачи к действительной.
Для построения ФЧХ умножим числитель и знаменатель передаточной функции (1.1) на комплексно-сопряженную величину. Получим
|
|
|
K( j |
) |
1 |
j |
|
. |
(1.3) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
1 |
2 |
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Из (1.3) следует: ( ) |
arctg ( |
) |
|
arctg ( ) . |
|
||||||
|
Необходимо отметить, |
что на |
верхней граничной |
частоте |
||||||||
fв |
|
1 |
сдвиг по фазе между выходным сигналом и сигналом ге- |
|||||||||
2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
нератора составляет: – 45 |
(рис. 1.2, б). |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
||
Временные параметры интегрирующей RC-цепи определяются по переходной характеристике при подаче на ее вход прямоугольного импульса напряжения (рис. 1.3, а). Напряжение на выходе цепи снимается с конденсатора, а по закону коммутации напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Анализ показывает, что оно будет изменяться по экспоненте и определяться по форму-
ле: U |
U (1 e t/RC ) , где RC = – постоянная времени цепи. |
вых |
г |
Рис. 1.3. Переходная характеристика интегрирующей RC-цепи:
а– входной импульс; б – выходной импульс
Вначальный момент выходное напряжение является интегралом по времени от входного напряжения. Именно поэтому данную
RC-цепь называют интегрирующей. Постоянную времени 
можно определить как время, в течение которого выходное напряжение достигает значения, отличающегося от установившегося на 1/e. Графический способ определения показан на рис. 1.3, б.
Для характеристики импульсного процесса обычно используют параметр tф – время нарастания фронта, который определяется как
время, в течение которого напряжение на выходе изменяется от уровня 0,1Uвых.уст до 0,9Uвых.уст (см. рис. 1.3, б). Для рассматриваемой RC-цепи tф определяется по формуле: tф 2,2 .
8
Рис. 1.4. Дифференцирующая RC-цепь
В дифференцирующей RC-цепи (рис. 1.4) резистор и конденсатор также включены последовательно, но последовательность включения по отношению к входному генератору изменена. При этом выходной сигнал снимается с резистора. Амплитудночастотная и фазочастотная характеристики получаются из выражения для коэффициента передачи, который можно получить аналогично коэффициенту передачи для интегрирующей цепи.
K |
|
R |
|
|
j |
RC |
||
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
R |
|
|
1 1 |
j RC |
||||
|
|
j |
C |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
Тогда АЧХ (рис. 1.5, а) выражается как |
|
K |
|
|
|
|
RC |
|
, а |
||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
2R2C2 |
||||||||
ФЧХ (рис. 1.5, б) как arctg |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
. |
|
|
|
||||||||
RC |
|
|
|
||||||||
Рис. 1.5. АЧХ (а) и ФЧХ (б) дифференцирующей RC-цепи
9
|
Выражение для нижней граничной частоты пропускания |
||
fн |
1 |
. |
|
|
2 RC |
||
|
|
|
|
При подаче прямоугольного импульса на вход такой цепи (рис. 1.6) напряжение на выходе определяется по формуле:
U |
U e t/ |
, где = RC, как для интегрирующей RC-цепи. |
вых |
г |
|
Рис. 1.6. Переходная характеристика дифференцирующей RC-цепи: а – входной импульс; б – выходной импульс
Полупроводниковый диод
Идеальный диод – электронный прибор, пропускающий ток в одном направлении и не пропускающий его в другом. Полупроводниковый диод выполняется на основе р-n перехода, создаваемого за счет соединения двух полупроводниковых слоев с электронной проводимостью (область n) и с дырочной проводимостью (область р), и обозначается на схеме так, как изображено на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Внутренняя структура полупроводникового диода и его условное изображение в схеме
10