Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
25
Добавлен:
06.06.2015
Размер:
1.55 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

Практикум по радиоэлектронике

Методическое руководство к вводной части практикума

Учебное пособие

Новосибирск

2013

УДК 621.3.01 ББК з-84я73-4 П691

Практикум по радиоэлектронике: Методическое руководство / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2013. 76 с.

Сборник содержит методические руководства к лабораторным работам практикума по радиоэлектронике для студентов второго курса физического факультета. Данный набор лабораторных работ составляет вводную часть практикума. Описания лабораторных работ содержат теоретическую и практическую части, где приведены основные сведения, необходимые для предварительных расчетов и выполнения практических заданий.

Выполняя лабораторные работы, студенты изучают свойства пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, трансформаторов), устройство, принцип работы и параметры транзисторов и операционных усилителей, макетируют и отлаживают стандартные схемы включения, характерные электронные узлы.

Составители: Е. В. Быков, Р. В. Воскобойников, А. В. Иванов, Г. И. Кузин, Н. Н. Лебедев, А. Ф. Павлов,

О. А. Тенекеджи

Рецензент И. А. Запрягаев

Ответственная за выпуск О. А. Тенекеджи

Издание подготовлено в рамках выполнения инновационнообразовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование»

Новосибирский государственный университет, 2013

 

Оглавление

 

Лабораторная работа № 1 RLC элементы.........................................................

5

1.

Введение......................................................................................................

5

2.

Резистор.......................................................................................................

5

3.

Конденсатор................................................................................................

6

4.

Катушка индуктивности ..........................................................................

11

5.

Трансформатор.........................................................................................

15

Эти уравнения равносильны следующим: .................................................

18

Последнее уравнение является контурными уравнениями,

 

которые соответствуют схеме рис.1.13 б. Следовательно, эта

 

схема может рассматриваться в качестве замещения

 

трансформатора без ферромагнитного сердечника...................................

18

6.

Квазистационарные процессы. RC и RL цепи........................................

18

7.

RLC-контур. Свободные колебания........................................................

21

8.

Практическая часть ..................................................................................

23

Литература. ...................................................................................................

25

Приложение ..................................................................................................

26

Лабораторная работа № 2 Биполярные транзисторы.....................................

28

1. p-n переход и полупроводниковые диоды..............................................

28

2.

Устройство и работа биполярного транзистора.....................................

31

3.

Модели биполярного транзистора..........................................................

36

 

3.1. Диодная модель...............................................................................

36

 

3.2. Модель Эберса-Молла....................................................................

37

4.

Основные схемы включения....................................................................

37

 

4.1. Каскад с общим эмиттером............................................................

39

 

4.2. Каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)..........

41

 

4.3. Каскад с общей базой.....................................................................

42

 

4.4. Дифференциальный усилитель......................................................

43

 

4.5. Источник тока.................................................................................

44

5.

Практическая часть ..................................................................................

45

 

5.1 Указания к работе............................................................................

45

 

5.2 Эмиттерный повторитель................................................................

47

 

5.3 Каскад с общим эмиттером.............................................................

48

 

5.4 Каскад с общей базой......................................................................

48

 

5.5. Дифференциальный каскад............................................................

49

 

5.6. Источник тока.................................................................................

49

 

5.7. Теоретические вопросы..................................................................

49

Литература....................................................................................................

50

 

3

 

Лабораторная работа № 3 Полевые транзисторы ..........................................

51

1.

Устройство и работа полевого транзистора...........................................

51

 

1.1. Классификация и устройство полевых транзисторов..................

51

 

1.2. Устройство полевого транзистора с p-n переходом ....................

52

 

1.3. Линейная модель полевого транзистора.......................................

54

2.

Каскады на полевых транзисторах..........................................................

55

 

2.1. Истоковый повторитель.................................................................

55

 

2.3. Источник тока.................................................................................

55

3.

Практическая часть ..................................................................................

56

 

3.1. Указания к работе...........................................................................

56

 

3.2. Истоковый повторитель.................................................................

58

 

3.3. Каскад с общим истоком................................................................

59

 

3.4. Источник тока.................................................................................

59

 

3.5. Согласование каскадов (теоретическое).......................................

59

Литература....................................................................................................

59

Лабораторная работа № 4 Операционные усилители....................................

60

1.

Введение....................................................................................................

60

2.

Параметры операционных усилителей...................................................

62

3.

Схемы включения операционных усилителей.......................................

66

4.

Практические задания..............................................................................

71

 

4.1. Измерение (Uсм), (f1), (Iвх), ( Iвх)....................................................

71

 

4.2. Наблюдение температурного дрейфа и низкочастотного

 

 

шума........................................................................................................

72

 

4.3. Интегратор.......................................................................................

72

 

4.4. Компаратор с гистерезисом...........................................................

73

 

4.5. Прецизионный выпрямитель.........................................................

73

 

4.6. Измерение малых сопротивлений.................................................

73

 

4.7. Измерение э.д.с. термопары...........................................................

74

Контрольные вопросы..................................................................................

74

Литература....................................................................................................

74

4

Лабораторная работа № 1 RLC элементы

1. Введение

Лабораторная работа посвящена изучению пассивных элементов радиоэлектроники и схем их включения. В методическом пособии приводятся основные параметры и стандартные схемы включения пассивных эле-

ментов, таких как резистор (R), конденсатор (C), катушка индуктивности

(L) и трансформатор.

В задачу студента входит изучение основных параметров пассивных элементов и схем их включения.

Оборудование. Осциллограф, RLC-метр, генератор сигналов.

2. Резистор Резистор – пассивный элемент электрической цепи, в идеале характе-

ризуемый только сопротивлением электрическому току, т. е. для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома, а именно, мгновенное значение напряжение на резисторе пропорционально току проходящего через него:

U (t) = R I (t) .

(1.1)

В действительности же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной емкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольтамперной характеристики.

Обозначение резисторов на схемах. В России условные графи-

ческие обозначения резисторов на схемах должны соответствовать

ГОСТ 2.728 74. В приложении в табл. 1.1 приведены примеры обозначений резисторов различной мощ-

ности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 1.1 показаны различия в

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

б)

обозначениях принятых в России и

 

 

Рис. 1.1. Обозначения принятые:

Европе от обозначений принятых в

 

 

а) в России и Европе; б) в США

США.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цепи, состоящие из резисторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При последовательном соединении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

R2

 

 

 

R3

резисторов (рис. 1.2) их сопротивле-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния складываются.

Рис. 1.2. Последовательное соединение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

резисторов

R = Ri .

(1.2)

i

 

5

6
В России условные
Рис. 1.4. Основа конструкции конденсатора
Конденсатор – устройство, предназначенное для получения необходимого значения емкости в цепях различных электронных устройств. Конденсатор является
пассивным элементом электрической цепи. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин называемых «обкладками» (рис. 1.4), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.
Обозначения конденсаторов на схеме.
графические обозначения конденсаторов на схемах
Видно, что чем больше сопротивление, тем больше эффективное напряжение шума, которое пропорционально квадратному корню из температуры.
3. Конденсатор
номерный («белый шум»), спектральная плотность шума

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При параллельном соединении рези-

 

 

 

R1

 

R2

 

R3

 

 

 

 

 

 

сторов (рис. 1.3) складываются величи-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ны, обратно пропорциональные

сопро-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тивлению, т. е.

 

Рис. 1.3. Параллельное соединение

 

1

=

1

.

(1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i i

 

Зависимость сопротивления от температуры. Сопротивление ме-

таллических и проволочных резисторов немного зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная

R = R0 (1+ α t) .

(1.4)

Коэффициент α называют температурным коэффициентом сопротив-

ления (ТКС). Типовое значение для МЛТ α = ± 1,2 105. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве датчиков температуры.

Шум резисторов. Даже идеальный резистор при температуре выше абсолютного нуля является источником шума.

При частоте, существенно меньшей чем k Th (где k – постоянная

Больцмана, T – абсолютная температура резистора, h – постоянная Планка (для комнатной температуры f ~ 6 1012 Гц)) спектр теплового шума рав-

| U |ω2 = 2RkT .

должны соответствовать ГОСТ 2.728 74 либо международному стандарту IEEE 315 1975. В приложении в табл. 1.2 приведены примеры обозначений конденсаторов.

На электрических принципиальных схемах номинальная емкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 106 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При емкости не более 0,01 мкФ, емкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т. е. постфикс «пФ» опускают. Для электролитических конденсаторов, а так же для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала емкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ), например, так: «10 мкФ 10 В». Для переменных конденсаторов указывают

диапазон изменения емкости, например, так: «10 180».

Свойства и характеристики конденсатора. Конденсатор в цепи по-

стоянного тока не проводит ток, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

Реактивное сопротивление конденсатора:

X c = −1 ωC .

(1.5)

Из формулы (1.5) видно, что зависимость реактивного сопротивления конденсатора обратно пропорциональна частоте, т. е. при ω = 0 реактивное сопротивление конденсатора равно бесконечности.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора

E = C U 2 2 ,

(1.6)

где U – напряжение, до которого заряжен конденсатор.

Емкость С является основной характеристикой конденсатора. Так, по определению емкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками:

q = CU .

(1.7)

Типичные значения емкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с емкостью до десятков фарад.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин, выражается формулой (1.8) в системе СИ

C = εε 0 S d ,

(1.8)

где S – площадь пластин, d – расстояние между пластинами, ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика расположенного между пластинами,

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε0 – диэлектрическая постоянная равная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8,85 10–12 Ф·м–1 (эта формула справедлива,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

когда d много меньше линейных размеров

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

C2

 

C3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пластин).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.5. Параллельное соеди-

Для получения больших емкостей кон-

денсаторы

соединяют

параллельно

 

 

нение конденсаторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 1.5). При этом напряжение между об-

кладками всех конденсаторов одинаково. При параллельном соединении емкостей полная емкость равна сумме всех емкостей:

C1 C2 C3

Рис. 1.6. Последовательное соединение конденсаторов

C = Ci .

(1.9)

i

 

При последовательном соединении конденсаторов (рис. 1.6) заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая емкость батареи при последовательном соединении конденсаторов равна:

C =

1

 

1 Ci .

(1.10)

i

Эта емкость всегда меньше минимальной емкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Номинальное напряжение. Другой важной характеристикой конденсатора является номинальное напряжение – это напряжение, при котором он может работать с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение, обычно, указывается на корпусе конденсатора и зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального.

Полярность. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) работают только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

8

Паразитные параметры.

Реальные конденсаторы, помимо емкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентная схема реального конденсатора представлена на рис. 1.7.

R – электрическое сопротивление изоляции конденса-

тора, определяемое соотношением r = U I, где U напря-

R

r L

C

Рис. 1.7. Эквивалентная схема конденсатора с учетом паразитных параметров

жение приложенное к конденсатору, Iток утечки.

r – эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) обуслов-

лено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора, а так же потерями в диэлектрике.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (например, в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надежности устройства.

L – эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу малости вклада.

Резонансная частота конденсатора. Вследствие того, что конденса-

торы, используемые на практике, представляются в виде эквивалентной схемы (рис. 1.7), т. е., в виде последовательного колебательного контура, то практически у любого конденсатора есть своя резонансная частота, которая определяется выражением:

fp =

 

1

.

(1.11)

2π

LC

 

 

 

При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведет себя как ка-

тушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp , на которых его сопротивление носит ем-

костный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2 – 3 раза ниже резонансной.

9

Ic

 

Тангенс угла потерь. В конденсаторе с

δ

идеальным диэлектриком,

т. е. диэлектриком

 

без потерь, вектор тока Ic

опережает вектор

 

 

 

 

напряжения на 90 °. В реальных диэлектриках

 

 

угол между током, протекающим через ем-

 

Ir

кость, и напряжением меньше 90° за счет по-

 

 

терь (т. е. ϕ = π − δ , где δ – угол диэлектри-

 

 

2

 

 

 

ческих потерь), которые вызывают протекание

Рис. 1.8. Векторная диаграм-

активного тока Ir, совпадающего по фазе с

напряжением. Векторная диаграмма для ди-

ма для тока в конденсаторе

электрика с потерями показана на рис. 1.8.

 

 

Как видно из векторной диаграммы, тан-

генс угла δ равен отношению активного и реактивного токов:

 

 

tgδ = I r Ic .

(1.12)

Иногда для характеристики устройства с диэлектриком определяют добротность – параметр обратный тангенсу угла диэлектрических потерь:

Q = 1 tgδ = ctgδ = tgϕ .

(1.13)

У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит в пределах 10–3 – 10–4; для низкочастотных ди-

электрических материалов – полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10–1 – 10–2, для слабополярных – до 10–3. Для хорошо осушенных газов, не

содержащих влаги, значения могут достигать 10–5 – 10–8.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – коэффициент изме-

нения емкости от температуры. Значение емкости от температуры представляется линейной формулой:

C(T ) = C0 + β T ,

(1.14)

где T – изменение температуры, β – ТКЕ. Однако ТКЕ определяется не

для всех типов конденсаторов. Для характеристики конденсаторов с выраженной нелинейной зависимостью обычно указывают предельные величины отклонений от номинала в рабочем диапазоне температур.

Применение конденсаторов. Конденсаторы находят применение практически во всех областях электроники.

Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частот- но-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т.п.

10

Соседние файлы в папке Рэл