- •Физические основы электронной техники
- •Содержание
- •1. Исследование характеристик полупроводникового выпрямительного диода и кремниевого стабилитрона
- •1.1. Цель работы
- •1.2. Программа работы
- •1.3. Краткие теоретические сведения
- •1.4. Описание лабораторного стенда
- •1.5. Указания к выполнению работы
- •1.6. Содержание отчета
- •1.7. Вопросы для самоконтроля
- •1.8. Рекомендованная литература
- •2. Исследование импульсных свойств p-n-перехода
- •2.1. Цель работы
- •2.2. Программа работы
- •2.3. Динамические процессы в р-n-переходе
- •2.4. Описание лабораторной установки
- •2.5. Указания к выполнению работы
- •2.6. Содержание отчета
- •2.7. Контрольные вопросы
- •2.8. Рекомендованная литература
- •3.4. Описание лабораторной установки
- •3.5. Указания к выполнению работы
- •3.6. Содержание отчета
- •3.7. Вопросы для самоконтроля
- •3.8. Рекомендованная литература
- •4. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых оптопар
- •4.1. Цель работы
- •4.2. Программа работы
- •4.3. Краткие теоретические сведения
- •4.4. Описание лабораторной установки
- •4.5. Указания к выполнению работы
- •4.6. Содержание отчета
- •4.7. Вопросы для самоконтроля
- •4.8. Рекомендованная литература
- •5. Исследование статического и динамического режимов работы биполярного транзистора
- •5.1. Цель работы
- •5.2. Программа работы
- •5.3. Статический и динамический режимы работы биполярного транзистора
- •5.4. Описание лабораторной установки
- •5.5. Указания к выполнению работы
- •5.6. Содержание отчета
- •5.7. Вопросы для самоконтроля
- •5.8. Рекомендуемая литература
- •6. Исследование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.
- •6.1. Цель работы
- •6.2. Программа работы
- •6.3. Усилительный каскад с общим эмиттером
- •6.4. Описание лабораторной установки
- •6.5. Указания к выполнению работы
- •6.6. Содержание отчета
- •6.7. Вопросы для самоконтроля
- •6.8. Рекомендуемая литература
- •7.4. Описание лабораторной установки
- •7.5. Указания к выполнению работы
- •7.6. Содержание отчёта
- •8.4. Указания к выполнению работы
- •8.5. Содержание отчета
- •8.6. Рекомендуемая литература
6.6. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
- наименование, цель и программу работы;
- принципиальную схему лабораторной установки и ее описание;
- краткое изложение методики эксперимента;
- таблицы с экспериментальными и расчетными данными;
- графики амплитудной и амплитудно-частотных характеристик;
- результаты отдельных измерений и расчетов, не сведенные в таблицы;
- анализ полученных результатов, оформленный в виде выводов по работе.
6.7. Вопросы для самоконтроля
В чем заключается цель работы?
Какова программа исследований, какие характеристики нужно измерить?
Каково назначение генераторов G1 иG2, вольтметра и осциллографаPG?
Каково назначение переключателей S1…S4?
Что должен содержать отчет по работе?
Какова схема включения транзистора в схеме лабораторной установки? Почему?
Пояснить назначение всех элементов усилительного каскада.
Пояснить характер амплитудной характеристики. Что является причиной ее нелинейности?
Что называется коэффициентом нелинейных искажений и динамическим диапазоном усилителя?
Пояснить влияние величины сопротивления коллекторной нагрузки на коэффициент усиления каскада?
Как влияет на величину коэффициента усиления отключение емкости С2?
Каким образом задается режим покоя транзистора?
Пояснить характер амплитудно-частотной характеристики усилителя. Чем объясняется снижение коэффициента усиления на низких и высоких частотах?
Как определяются граничные частоты и полоса пропускания усилителя?
Что называется коэффициентом частотных искажений?
Как влияют емкости разделительных конденсаторов и нагрузки на форму амплитудно-частотной характеристики, значения граничных частот, ширину полосы пропускания?
6.8. Рекомендуемая литература
Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982. – С.91-99, 112-120.
Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. – Основы промышленной электроники. – Киев: Вища школа, 1985.- С.100-105, 109-117.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат,1988.–С.49-58,95-98.
7. Исследование электронных устройств с операционными усилителями на интегральных микросхемах
7.1. Цель работы
Ознакомиться с основными свойствами операционных усилителей на интегральных микросхемах и исследовать влияние величин элементов на работу мультивибратора, инвертирующего усилителя и интегратора, выполненных на операционных усилителях.
7.2. Программа работы
7.2.1. Исследовать мультивибратор.
7.2.2. Исследовать инвертирующий усилитель.
7.2.3. Исследовать интегратор.
7.3. Краткие теоретические сведения
Операционный усилитель (ОУ) представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока, применяемый для реализации различных функциональных операций, таких как сложение, вычитание, деление, логарифмирование, дифференцирование и другие. Благодаря интегральной технологии стало возможным изготовление ОУ, близкого по своим свойствам к идеальному. Такой усилитель имеет большой коэффициент усиления до 105, большое входное сопротивление до 106 Ом, малое выходное сопротивление порядка 100-200 Ом, малые собственные шумы и дрейф нуля. В настоящее время на основе интегральных ОУ выполняются генераторы синусоидальных и импульсных колебаний, источники опорных напряжений, избирательные фильтры, блоки сравнения и многие другие устройства.
В целом ОУ можно представить в виде трёх последовательно соединённых каскадов (рис.7.1).
Входным каскадом является дифференциальный усилитель ДУ, который работает в режиме микротоков, имеет малый дрейф нуля, высокое входное сопротивление и небольшой коэффициент усилений по напряжению порядка 10.
Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения УН. Обычно он имеет коэффициент усиления по напряжению более 100 и малый дрейф нуля, что достигается благодаря использованию балансной схемы усилителя постоянного тока.
Оконечный каскад ОУ является усилителем мощности УМ. Он имеет коэффициент усиления по напряжению в пределах 5-50, малое выходное сопротивление и обеспечивает передачу в нагрузку максимальной мощности.
Дифференциальный усилитель имеет два входа: инвертирующий (вход 1) и не инвертирующий (вход 2). При поступлении входного синусоидального напряжения на инвертирующий вход с выхода ОУ будет сниматься усиленный сигнал противоположной полярности, т.е. инвертированный относительно входного. Напряжения на неинвертирующем входе и выходе ОУ совпадают по фазе. Для удобства чтения электрических схем инвертирующий вход обозначается еще знаком минус, а неинвертирующий - знаком плюс.
В принципе входные сигналы могут поступать одновременно на оба входа усилителя. В этом случае выходное напряжение будет пропорционально разности входных сигналов, т.е. усилитель с дифференциальным входом может использоваться как устройство для вычитания сигналов.
Здесь Uвх1 и Uвх2 - входные сигналы на инвертирующем и не инвертирующем входах; Rн - сопротивление нагрузки; Е1 и Е2 -источники питания, а выходной сигнал Uвых=KОУ(Uвх2-Uвх1).
В тех случаях, когда входной сигнал поступает на инвертирующий вход (Uвх2 = 0), амплитудная характеристика усилителя имеет вид кривой I (рис.7.3). С увеличением входного напряжения от - Uвхm до Uвхm выходное напряжение изменяется пропорционально входному.
При наличии сигнала на не инвертирующем входе (Uвхm =0) получаем амплитудную характеристику в виде кривой 2.
Симметричный вид амплитудной характеристики относительно начала координат, т.е. возможность работы усилителя как при положительных, так и при отрицательных входных напряжениях, обеспечивается использованием двух разнополярных, равных по величине источников питания Е1 и Е2.
Подключая между входами и выходом усилителя соответствующие цепи обратной связи, можно получить устройства с различными функциональными возможностями. Рассмотрим некоторые из них.
Инвертирующий усилитель
Одним из наиболее распространённых устройств на ОУ является инвертирующий усилитель, схема которого приведена на рис.7.4.
Ток, протекающий через инвертирующий вход ОУ, примерно равен нулю из-за большого входного сопротивления, а напряжение на входе ненасыщенного ОУ близко к нулю из-за большого коэффициента усиления.
С учётом этого можно считать, что напряжение на резисторе R2 примерно равно выходному напряжению ОУ Uвых, а входной ток I1= - I2 ≈ , тогда
UВЫХ≈==-UВХ, (7.1)
а коэффициент усиления инвертирующего усилителя
(7.2.)
Коэффициент усиления К полностью определяется величинами резисторов R1, R2 и не зависит от напряжений источников питания Е1, Е2, коэффициента усиления ОУ и других факторов, которые могут изменяться в процессе работы устройства. Следовательно, рассматриваемый инвертирующий усилитель обладает высокой стабильностью коэффициента усиления. Подбирая необходимую величину сопротивления резистора R2 при заданном сопротивлении R1, можно обеспечить требуемый коэффициент усиления. Обычно этот коэффициент усиления не превышает ста и должен быть много меньше коэффициента усиления ОУ. Только в этом случае достигается устойчивая и стабильная работа устройства, а принятые допущения и выражения (7.1)-(7.2) будут справедливы.
Интегратор
С учётом принятых для инвертирующего усилителя допущений напряжение на выходе интегратора
, (7.3)
где UС - напряжение на конденсаторе обратной связи; iС - ток конденсатора.
Подставляя в (7.3) величину тока iС= имеем
. (7.4)
Таким образом, выходное напряжение устройства определяется интегралом от входного напряжения и произведением τu=RC, которое называют постоянной времени интегратора. С увеличением постоянной времени интегратора уменьшается погрешность интегрирования и уменьшается величина выходного напряжения.
UВЫХ=, (7.5)
где U(0) – напряжение на выходе ОУ к моменту очередной коммутации.
Для интервала Uвх>0 в формуле следует брать знак +, при Uвх<0 знак -.
Изменяя величину резистора R, можно регулировать амплитуду Uвыхm выходного пилообразного напряжения. На рис.7.6 кривая I получена при меньших значениях резистора R, а кривая 2 - при больших.
Постоянная времени интегратора ограничивает длительность входного импульса. Для нормальной работы интегратора необходимо, чтобы за время tu конденсатор заряжался до напряжения, меньшего напряжения насыщения ОУ, обычно несколько меньшего напряжения питания. Из выражения (7.5) можно получить минимально допустимую величину постоянной времени интегратора RC.
RC>(7.6)
Мультивибратор
На рис.7.7 приведена схема симметричного мультивибратора в автоколебательном режиме. К инвертирующему входу подключена время - задающая цепочка, состоящая из конденсатора С и резистора R1, определяющая длительность выходных импульсов. Резисторы R2, R3 образуют делитель, напряжение с которого подаётся на не инвертирующий вход, чем обеспечивается положительная обратная связь.
Пока напряжение на конденсаторе, а следовательно, на инвертирующем входе меньше по модулю величины βUm, усилитель находится в насыщенном режиме. При достижении на конденсаторе напряжения, равного напряжению на не инвертирующем входе, усилитель переходит в активные режим работы. Напряжение на выходе начинает уменьшаться. Через цепь положительной обратной связи изменение напряжения передаётся на не инвертирующий вход, приводя к ещё большему уменьшению выходного напряжения. Происходит лавинообразный процесс опрокидывания схемы, в результате которого полярность выходного напряжения изменяется на противоположную, а усилитель переходит во второе квазиустойчивое состояние.
Затем происходит перезаряд конденсатора выходным напряжением противоположной полярности до величины, равной напряжению на не инвертирующем входе и т.д.
Так, в момент времени t0 (рис.7.8) напряжение на выходе мультивибратора равно Um, на неинвертирующем входе βUm, а на инвертирующем входе определяется напряжением конденсатора С, который стремится зарядиться до величины Um. В момент времени t1 напряжение на конденсаторе достигает величины βUm и выходное напряжение скачком изменяется до – Um. На неинвертирующем входе появляется напряжение – βUm, а конденсатор начинает перезаряжаться до величины – Um. В момент времени t2, когда напряжение конденсатора достигает величины –βUm произойдёт новое опрокидывание мультивибратора.
Для симметричного мультивибратора длительности положительного и отрицательного выходных импульсов равны и определяются по формуле
. (7.7)
В несимметричном мультивибраторе, когда требуется получить различные длительности положительного и отрицательного импульсов, применяют разные цепи заряда конденсатора.
Q=(7.8)
где γ =
С увеличением γ скважность положительных импульсов будет увеличиваться.
Период следования выходных импульсов при постоянной скважности можно изменять, как видно из выражения (7.7), задавая различный коэффициент положительной обратной связи β. С увеличением β увеличивается период следования выходных импульсов.