
Методички по лабам за 4 семестр / Рэл / REL-01-04
.pdfМИНИСТЕРСТВО 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

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 10−5. 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 Iyт , где U − напря-
R
r L
C
Рис. 1.7. Эквивалентная схема конденсатора с учетом паразитных параметров
жение приложенное к конденсатору, Iyт − ток 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