Микроэлектроника
.pdf
1. Приведите типовые схемы включения операционного усилителя: инвертирующий, неинвертирующий усилители, повторитель напряжения. Получите выражения для коэффициентов усиления KU, поясните принцип действия с помощью временных диаграмм.
Неинвертирующий масштабный усилитель:
+ = вх
− = вых ∙ 11 + 2
+ = −
вых ∙ 1вх = 1 + 2
2= 1 + 1
Инвертирующий масштабный усилитель:
2вых = − 2 = − 2 = − 1 вх
2= − 1
Если R1=R2, то Ku= -1
Если на неинвертирующий вход подавать напряжение, а Rос = 0 (закоротка), то
получится повторитель.
2. Получите уравнение амплитудной характеристики для приведённой схемы. Определите выходной ток операционного усилителя DA1, ток входного источника U2, а также напряжения на всех резисторах схемы.
вх+ = |
2 ∙ 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3 + 4 |
|
|
|
|
|
||||||
− |
= − 1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
вх |
|
|
1 |
|
2 |
|
4 |
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|||||||
вых = 2 1 + |
|
− 1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
1 |
|
4 + 3 |
1 |
||||||||
Если R1=R3 и R2=R4, то 1 + 2 |
4 |
= 2 |
|||
4+ 3 |
|||||
|
2 |
1 |
1 |
||
следовательно: вых = |
( 2 − 1) |
|
|||
1 |
|
||||
|
|
|
|
||
Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды Uвых от амплитуды Uвх.
Наклон определяет коэффициент усиления. |
вх = |
вых |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если вх |
< вх – линейный режим, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Если вх |
≥ вх – усилитель в насыщении |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Определить всякую хрень: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
1 |
= |
|
|
1 |
; |
2 |
= |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
+ 4|| 3 |
|
3 |
+ 4|| 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
= |
2 3 |
|
+ |
|
1 4|| 3 ; |
= |
|
|
2 4 |
|
+ 1 4|| 3 ; |
||||||||||||||||||
3 |
|
|
3 |
+ 4|| 1 |
|
1+ 4|| 3 |
|
|
4 |
|
3+ 4|| 1 |
|
|
1+ 4|| 3 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
= 2 4|| 1 |
+ |
|
|
1 1 ; |
|
= |
|
|
|
1 2 |
+ |
2 2 |
|||||||||||||||||
1 |
|
|
3 |
+ 4|| 1 |
|
|
1+ 4|| 3 |
|
|
|
2 |
|
|
1+ 4|| 3 |
|
|
|
3+ 4|| 1 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
вх = = |
|
1 |
|
+ |
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|| |
|
|
+ |
|| |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
4 |
3 |
|
|
3 |
4 |
1 |
||||||||
3.В приведенной схеме сумматора-вычитателя на ОУ получите выражение для выходного напряжения и рассчитайте его.
U1=1B |
2R |
6R |
|
U2=2B |
4R |
|
|
U3=2B |
R |
|
|
U4=0B |
2R |
DA1 |
Uвых |
|
|
||
|
3R |
|
|
U |
|
= U |
3 |
∙ 1 + |
|
R6 |
|
|
∙ |
R5 |
+ +U |
4 |
∙ 1 + |
|
|
R6 |
|
|
∙ |
R5 |
− −U ∙ |
R6 |
− U |
2 |
∙ |
R6 |
; |
|||||||||||||
|
|
R1∙R2 |
|
|
|
|
R1∙R2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
вых |
|
|
|
|
|
|
|
|
R3+R5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
R4+R5 |
1 |
R1 |
|
R2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
R1+R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1+R2 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
= 2 ∙ 1 + |
|
|
6R |
|
|
∙ |
3R |
+ +0 ∙ 1 + |
|
6R |
|
|
∙ |
3R |
− −1 ∙ |
6R |
− 2 ∙ |
6R |
; |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
2R∙4R |
|
|
|
|
2R∙4R |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
вых |
|
|
|
|
|
|
R+3R |
|
|
|
|
|
|
2R+3R |
|
2R |
|
|
4R |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2R+4R |
|
|
|
|
|
|
2R+4R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
вых = 2 ∙ 5,5 ∙ 0,75 + 0 − 1 ∙ 3 − 2 ∙ 1,5вых = 8,25 − 3 − 3 = 2,25В
4. Нарисуйте схему неинвертирующего сумматора аналоговых сигналов на два входа с различными весовыми коэффициентами по каждому из входов. Получите выражение для выходного напряжения. Покажите, как обеспечить плавную регулировку коэффициента передачи по одному из каналов.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- = вых |
∙ |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д + ос |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− + |
|
− + |
|
|
− + |
|
− + |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
+ |
|
|
2 |
+ |
3 |
+ |
|
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
Пусть |
= = |
= = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
− + |
+ − + |
+ − + + − + = 0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ + + + = + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
1 |
|
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0 |
=> + = − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
∙ |
|
|
д |
|
= |
1 |
∙ + + + + |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
д + ос |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
вых |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
= |
д + ос |
∙ + + + + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
вых |
|
|
|
∙ д |
|
|
|
1 2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если свести дробь к 1, то получим чистый сумматор.
ос = − 1 ∙ д
Недостаток: нет возможности складывать напряжения с разными весовыми коэффициентами.
|
|
2∙4 |
|
|
|
|
1∙4 |
|
|
|
||
+ = |
2+ 4 |
|
∙ + |
|
1+ 4 |
|
∙ |
|||||
|
|
+ |
2∙4 |
|
1 |
|
+ |
1∙4 |
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
|
2+ 4 |
|
|
2 |
|
1+ 4 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
д + ос |
|
|
2∙4 |
|
|
|
|
|
1∙4 |
|
|
|
||
вых = |
∙ |
|
2+ 4 |
|
∙ 1 |
+ |
|
1+ 4 |
|
∙ 2 |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
д |
1 |
+ |
2∙4 |
|
2 |
+ |
1∙4 |
|
|||||||
|
|
2+ 4 |
|
|
|
1+ 4 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Недостаток: Сложность расчета весовых коэффициентов. Невозможно перестраивать.
5.В приведенной схеме интегратора определите напряжение на выходе к моменту окончания входного импульса. Нарисуйте сфазированные диаграммы входного и выходного напряжений на участке t от 0 до 200 мс. Параметры схемы: R = 100 кОм, С = 0.1 мкФ, t1 = 100 мс.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, < 0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх = 5 ∙ , 0 ≤ ≤ 1 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, ≥ 1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если считать ОУ идеальным , то вых = − . |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
= |
|
вх |
; |
|
= 0; = ∞ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
вых = − |
|
∙ |
вх + 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
вых = − |
1 |
|
∙ |
5 ∙ 2 |
= − ∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
∙ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
− |
1 |
∙ |
5 |
2 |
= |
|
1 ∙ 0,01 ∙ 5 |
|
|
|
|
|
= 2,5 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
∙ |
2 |
100 ∙ 103 ∙ 0,1 ∙ 10−6 |
∙ 2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
6. Приведите схему дифференциатора. Нарисуйте сфазированные диаграммы входного и выходного напряжений, если известно вх( ) = (– / ).
Получите выражение для АЧХ.
|
= − ; |
|
= |
∙ ; |
|||||||
вых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
= |
= ∙ |
|
; = − ; |
||||||||
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
= − ∙ ∙ |
вх |
; |
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||
вых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
АЧХ: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
ос |
= |
|
|
|
|
= ∙ ∙ |
||||
|
1 |
|
|
|
|||||||
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
∙ |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
7. Докажите, что приведенная схема логарифмирует входное напряжение. Приведите зависимость выходного напряжения от входного. Нарисуйте временные диаграммы входного и выходного напряжений.
|
VT |
|
R |
Uвх |
DA1 Uвых |
|
Диоды вместо транзисторов используются очень редко, т.к. ВАХ диода сильно зависит от температуры. ВАХ зависит от величины тока, т.е. сильно отклоняется от экспоненты.
НАЗНАЧЕНИЕ: сжатие аналоговых сигналов, выполнение операций умножения.
НЕДОСТАТОК: схема склонна к самовозбуждению и не допускается включения обратной полярности.
8. Приведите схему антилогарифмического усилителя. Поясните принцип действия. Приведите зависимость выходного напряжения от входного. Нарисуйте временные диаграммы входного и выходного напряжений.
Для схем с заземлённой базой m=1, а единицей можно пренебречь.
Недостаток: низкое входное сопротивление
Схема не склонна к самовозбуждению.
9. Приведите схему автогенератора гармонических колебаний на ОУ. Поясните принцип действия, докажите выполнение условий самовозбуждения в вашей схеме.
R1 
R2
|
|
Uвых |
C |
|
|
R |
C |
R |
Для самовозбуждения необходима выполнения 2 условий: - баланс амплитуд; - баланс фаз. Автогенератор собирается на неинвертирующем усилителе и мостом Вина в цепи положительной обратной связи. Коэффициент передачи моста Вина на квизирезонансной частоте равен 1/3, следовательно для выполнения условия самовозбуждения необходимо чтобы коэффициент усиления ус
Uвых
Uнас
Мост Вина
усилитель
Uвх
Uвых 
[В]
t, [c]
10. Приведите схему автоколебательного мультивибратора на ОУ (tи+ > tи–). Нарисуйте диаграммы напряжений на выходе и на времязадающем конденсаторе, получите формулу для расчета длительности положительного импульса.
|
Принцип действия: |
|
При включении питания за счёт |
|
переходных процессов или |
|
шумов на выходе |
|
операционного усилителя |
|
появляется напряжение сдвига. |
|
Часть этого напряжения через |
|
делитель R1 R2 подаётся на |
|
неинвертирующий вход, при |
этом ΔU≠0. |
U усиливается увеличивая Uсдв на выходе. Uвых |
продолжает расти пока не достигает Uнас. |
|
Пусть в t=0 Uвых= +Uнас. Uc(0)=0. По цепи ООС (VD+, R3,C) |
|
начинается заряд С с τ=RC. Когда Uc= Uпор. происходит |
|
опрокидывание схемы и Uвых становится равным |
-Uнас. Цепь ПОС фиксирует это состояние, |
подавая на неинвертирующий вход U= βUнас |
|
При этом Uc не успевает измениться и начинается переходный процесс перезарядка емкости, но уже по
цепи (VD-, R4, C) со своей τ. Uc стремится к –Uнас, но достигнув |
-βUнас схема вновь |
опрокидывается и всё повторяется сначала. |
|
11. Поясните, для чего и каким образом вводится гистерезис в компаратор на ОУ?
Гистерезис вводиться в схемах компаратора для исключения дребезга, который имеет место в том случае, если сравниваемое напряжение защумлено и подходит к порогу срабатывания с низкой скоростью.
вых = + , то к 2 прибавляется пор
пор + 2 = 2 + 1 + 2
вых = −
2 − пор = 2 − 2
1+ 2
Введение гистерезиса исключает ложное срабатывание, но возникает задержка. Эта задержка вносит временную паузу, и она тем больше, чем больше разбег. Поэтому вводиться ПОС, необходимо выбрать ее минимально возможное.