Электротехника, электроника: основы микроэлектроники. Лабораторный практикум.: учебно-методическое пособие

Федеральное агентство по образованию Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Н.А. Короткова, А.К. Осипов

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА: ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторный практикум

Москва 2010

УДК 621.3(076.5)+621.38(076.5) ББК 31.2я7+32.85я7 К 68 Короткова Н.А., Осипов А.К. Электротехника, электроника: основы микроэлектроники. Лабораторный практикум.: учебнометодическое пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 60 с. Предназначено для студентов факультета кибернетики, обучающихся по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Сборник содержит четыре лабораторные работы, которые проводятся по данному курсу. Первая работа знакомит студентов с принципами работы, основными характеристиками и параметрами усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Вторая работа помогает понять принцип построения усилительных каскадов и других аналоговых схем на интегральных операционных усилителях. Третья работа посвящена ключу на биполярном транзисторе с резистивной схемой управления. Четвѐртая работа знакомит с принципами проектирования генераторов прямоугольных импульсов на логических элементах. Содержание учебного пособия полностью соответствует утверждѐнной программе курса. Рецензент проф. Ю.А. Волков Рекомендовано к изданию редсоветом НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1289-0 © Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, 2010

СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа 1. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Лабораторная работа 2. Интегральный операционный усилитель Лабораторная работа 3. Ключ на биполярном транзисторе с резистивной схемой управления Лабораторная работа 4. Генераторы прямоугольных импульсов на логических элементах Список литературы Приложение. Оформление лабораторных работ

3

4 19 28 48 57 58

Лабораторная работа 1

Усилительный каскад на биполярном транзисторе Цель: изучение основных характеристик и параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе (БТ), включѐнном по схеме с общим эмиттером, ознакомление с методикой измерения параметров каскада. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Идеальный усилитель представляет собой линейную схему, т.е. его передаточная характеристика U вых (U вх ) линейна во всем диапазоне изменения амплитуды входного сигнала. Режим по постоянному току (статический режим усилителя). Биполярный транзистор усиливает только в активном режиме работы. Нормальный активный режим работы характеризуется прямым смещением эмиттерного перехода и обратным смещением коллекторного перехода. Чтобы обеспечить прямое смещение эмиттерного перехода, потенциал базы должен превышать потенциал эмиттера на величину падения напряжения на прямосмещенном переходе U БЭпр . Этот параметр составляет в зависимости от материала, из которого изготовлен транзистор, примерно 0,6–0,7 В для кремниевого БТ и 0,2–0,4 В для германиевого. В соответствии с кусочно-линейной аппроксимацией входной вольт-амперной характеристики (ВАХ) БТ при значении U БЭ = U БЭпр ток I Б может быть любой величины (рис. 1.1, а). Для задания конкретного значения тока базы используются источник питания E ип и резистор с сопротивлением RБ . Рабочая точка Q1 на входной характеристике определяется пересечением ВАХ и линии, проведѐнной между точками U

Eип , I

E ип . Установленный таким образом постоянRБ 4

ный ток базы I Б* называется режимным. Режимному базовому току I Б* соответствует выходная вольт-амперная характеристика

I К (U КЭ ) (рис. 1.1, б). Для задания конкретного режимного значения тока коллектора I К* также используется источник питания E ип и резистор с сопротивлением RК (рабочая точка Q2 ). Совокупность координат рабочих точек Q1 и Q2 обеспечивает режим транзистора по постоянному току, т.е. в отсутствии входного сигнала на выводах транзистора имеются постоянные режимные потенциалы U Б* , U Э* , U К* , а в базе, эмиттере и коллекторе протекают режимные токи I Б* , I Э* и I К* . IБ

IК

Eип/RБ Q2 IК* I Б*

I Б*

Q1

UБЭ*=UБЭпр

Eип

UКЭ*

UБЭ

Eип

UКЭ

а б Рис. 1.1. Характеристики БТ: а – входная; б – выходная

Необходимость установления и поддержания режима по постоянному току приводит к тому, что схема усилительного каскада, собранного на БТ с общим эмиттером, содержит элементы, обеспечивающие режим БТ по постоянному току: E ип , RБ , RК (вместо одного резистора RБ используется делитель R1–R2) (рис. 1.2).

5

Еип RК

R1

С2

С1

Т

RГ UГ

R2

RЭ

СЭ

RН

Рис. 1.2. Усилительный каскад на БТ с общим эмиттером

Так как источник входного сигнала U Г либо не имеет постоянной составляющей сигнала, либо еѐ величина не совпадает с требуемой для установки режима транзистора, то необходимо разделить по постоянной составляющей источник сигнала и усилительный каскад. Для этого используется разделительный конденсатор С1. Аналогично поступают с нагрузкой, разделяя выход каскада и нагрузку RН по постоянному току с помощью конденсатора С2. Режим по постоянному току должен быть стабильным, т.е. мало изменяться при случайных изменениях E ип . Для стабилизации режима обычно используют отрицательную обратную связь (ООС), уменьшающую любые отклонения от режима. Причѐм сопротивление обратной связи выбирается так, чтобы на постоянном токе глубина ООС была максимальной, а на средних и высоких частотах минимальна. Это обеспечивает уменьшение отклонений напряжений и токов (стабилизацию) только по постоянному току. Для этого в эмиттере БТ используют комплексное сопротивление обратной связи, состоящее из параллельного включения резистора RЭ и конденсатора

XC

CЭ .

Емкостное

сопротивление

конденсатора

1 мало на высоких частотах и велико ( ωC Э

) при ω = 0,

поэтому на высоких частотах модуль комплексного сопротивления 6

в эмиттере Z Э

ZЭ

0 (т.е. ООС отсутствует), а на постоянном токе

RЭ .

Усилитель на биполярном транзисторе усиливает не абсолютное значение тока или напряжения на базе транзистора, а его приращение относительно режимного значения. Приращению тока базы iБ будет соответствовать приращение тока коллектора

β iБ , что и обеспечивает усиление входного сигнала. Статические параметры усилителя. Статические параметры измеряются в установившемся режиме при медленном изменении входного сигнала, т.е. без учѐта переходных процессов. 1. Коэффициент усиления по напряжению определяется как приращение напряжения на нагрузке, отнесѐнное к вызвавшему его приращению напряжения источника сигнала (генератора), iК

KU

uН . uГ

Для усилительного каскада (см. рис. 1.2) модуль коэффициента усиления по напряжению равен K U

RКН

Rвх β RKH , где RГ Rвх rвхТ

RК RН – параллельное соединение сопротивлений RК и

RН ; rвхТ

rБ

βrЭ – входное сопротивление БТ со стороны базы;

rБ – объѐмное сопротивление базы транзистора; rЭ

φТ – дифI Э*

ференциальное сопротивление эмиттера; φ Т – температурный потенциал, равный 25 мВ при комнатной температуре; I Э* – режимный ток эмиттера. Данный усилитель инвертирует фазу входного сигнала, т.е. положительному приращению входного напряжения u Г соответствует отрицательное приращение напряжения на нагрузке uН КU u Г .

7

Предельный коэффициент усиления по напряжению можно оценить по формуле

KU

RК rЭ

(при следующих условиях:

). Для измерения коэффициента усиления по напряжению используется источник переменного сигнала (синусоидального или импульсного) и измерительный прибор (вольтметр или осциллограф). 2. Коэффициент усиления по току определяется как приращение тока нагрузки, отнесѐнное к вызвавшему его приращению тока

RН

, RГ

0, R1

R2

источника сигнала, K I

iН . Коэффициент усиления по току пеiГ

ресчитывается из выражения для коэффициента усиления по напряжению ( KU ), а именно: K I

KU

RГ . RН

3. Входное сопротивление усилителя определяется как отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока, вызванному входным сигналом, Rвх

u вх . Этот параметр iвх

показывает, как усилитель нагружает источник сигнала. Для расчѐта входного сопротивления каскада на БТ используется теоретическое выражение Rвх R1 || R 2 || rвх.Т . Методика измерения входного сопротивления использует для определения входного тока токосъѐмное сопротивление R ТС . Схема измерения входного сопротивления каскада приведена на рис.1.3. В соответствии с законом Ома входное сопротивление равно Rвх

U вх RТС . U Г U вх

8

RТС Усилитель UГ

~

Iвх

Uвх

Rвх

Рис. 1.3. Измерение входного сопротивления усилителя

4. Выходное сопротивление усилителя определяется как отношение напряжения на нагрузке на холостом ходу к току нагрузки при коротком замыкании на выходе усилителя

Rвых =

U Н .хх I Н.кз

=

Δu Н . Выходное сопротивление ограничивает ток, Δ iН

который может отдать в нагрузку усилитель. Для расчёта выходного сопротивления данного каскада используется теоретическое выражение: Rвых = RК rвых.Т ≈ RК , где rвых.Т = rКЭ ≈ ∞ . Для измерения выходного сопротивления используется следующая методика: измеряют выходное напряжение каскада на холостом ходу ( U Н .хх ) и при некоторой величине сопротивления нагрузки RН1 ( U Н1 ). Тогда, с учётом того, что ток нагрузки

I Н1 =

U Н1 , выходное сопротивление каскада равно RН1 U Н .хх − U Н1 Rвых = RН1 . U Н1

Кроме перечисленных параметров для анализа работы усилительного каскада важны параметры, отражающие искажения величины и формы сигнала в каскаде. Благодаря нелинейности ВАХ транзистора форма исходного (входного) синусоидального сигнала искажается тем сильнее, чем больше амплитуда входного сигнала. Это так называемые нелинейные искажения. 9

Вольт-амперные характеристики транзистора можно считать линейными только в крайне малом диапазоне изменения токов и напряжений. Поэтому передаточная (амплитудная) характеристика усилительного каскада (рис. 1.4), снятая на синусоидальном сигнале, будет линейна при малых изменениях амплитуды входного сигнала, а при больших амплитудах входного сигнала еѐ наклон уменьшается, т.е. уменьшается коэффициент усиления каскада. Форма синусоидального сигнала при этом искажается. Uвых

Uвх Uвх.макс Рис. 1.4. Амплитудная характеристика усилительного каскада

Таким образом, при заданном коэффициенте усиления существует максимальная амплитуда входного сигнала U вх..макс , при которой искажения формы (нелинейные искажения) не превышают заранее оговоренных величин. Максимальная амплитуда входного сигнала при заданном коэффициенте нелинейных искажений K НИ называется динамическим диапазоном усилительного каскада. Все статические параметры измеряются при значениях входного сигнала, лежащих в пределах динамического диапазона, а так как динамический диапазон невелик, то эти параметры также называют малосигнальными. Величина динамического диапазона зависит от выбора координат рабочей точки, т.е. от режима по постоянному току. Если рабочая точка выбрана не в середине квазилинейного участка ВАХ, то динамические диапазоны для положительного входного сигнала и отрицательного входного сигнала могут не совпадать. Динамические параметры усилителя. Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) имеет спад на низких и высоких 10

частотах. Снижение усиления в области низких частот (ОНЧ) и в области высоких частот (ОВЧ) вызывается влиянием реактивных элементов схемы, которым пренебрегали в области средних частот. На высоких частотах линейные искажения проявляются в виде снижения коэффициента усиления и появления дополнительного сдвига фаз между входным и выходным напряжениями на гармоническом сигнале и в виде фронтов и срезов на импульсном сигнале. Причиной этих искажений является инерционность транзистора, которая связана с конечным временем пролѐта носителей через базу и зарядом емкостей, присущих транзисторной структуре (ѐмкости коллекторного и эмиттерного переходов). Инерционность транзистора проявляется в зависимости коэффициента передачи тока базы транзистора от частоты β(ω) . Эта зависимость характеризуется верхней граничной частотой коэффициента β ( f β ), на которой коэффициент передачи тока базы β(ω) уменьшается в раз, f β

2

1 , где постоянная времени τ β – среднее время жизни 2 πτ β

носителей в базе БТ. Благодаря этой зависимости транзистор не может мгновенно отслеживать резкие (скачкообразные) изменения управляющего сигнала ( iБ для БТ), поскольку носители заряда в базе имеют конечную скорость и конечное время пролѐта через базу, а также конечное время установления скорости носителей, связанное с перезарядом емкостей. Ёмкость коллекторного перехода БТ находится между базой и коллектором, т.е. между входом и выходом усилительного каскада. Таким образом, она включена в цепь отрицательной обратной связи, поэтому еѐ влияние увеличивается в β раз ( βC K ). Перезаряжается ѐмкость коллекторного перехода через выходное сопротивление каскада Rвых RK и сопротивление нагрузки RH . Входная ѐмкость транзистора (ѐмкость эмиттерного перехода БТ) заряжается через малое сопротивление RГ , поэтому еѐ влиянием на переходный процесс можно пренебречь по сравнению с влиянием C K . 11

В первом приближении переходный процесс (установление напряжения на нагрузке при скачке напряжения генератора) можно аппроксимировать одной экспонентой с эквивалентной постоянной времени τ экв , характеризующей инерционность транзистора. Таким образом, напряжение на нагрузке при скачке напряжения генератора u Г (t ) изменяется во времени как , где τ экв = τ β

βC K RKH . Время нарастания фронта (и среза) импульса на выходе, определяемое по уровням 0,1 – 0,9 амплитудного значения напряжения на нагрузке U H m K U U Г m , равно t фр 2,2 τ экв . Так как усилитель линейная схема, то t фр

t ср .

Эквивалентная постоянная времени τ экв связана с верхней граничной частотой каскада соотношением f В гр

1 . Следова2 πτ экв

0,35 . t фр

тельно, для линейных схем f В.гр

Не надо забывать, что амплитуда U Г m должна лежать в пределах динамического диапазона, иначе, кроме линейных искажений, в выходном сигнале появятся ещѐ и нелинейные. Если у импеданса нагрузки есть емкостная составляющая, т.е. ѐмкость C H , то она также оказывает дополнительное интегрирующее действие на изменение выходного напряжения каскада. Тогда τ экв надо дополнить постоянной времени заряда ѐмкости нагрузки

τ экв τ вых

С Н RKH . В этом случае суммарная постоянная времени равна τ экв τ нагр , и время нарастания фронта определяется как

2,2 τ вых . Если импульс генератора сигнала имеет конечный фронт длительностью t фр.вх , то длительность фронта импульса на выходе определяется геометрическим сложением фронтов, а именно: t фр

t фр.вых

(t фр.вх ) 2 12

(2,2τ вых ) 2 .

В области низких частот на передачу сигнала влияют емкости разделительных и блокирующего конденсаторов. 1. Влияние разделительных конденсаторов C1 и C2 . Разделительный конденсатор C1 образует с входным сопротивлением усилительного каскада дифференцирующую цепь. Если его емкостное

1 сравнимо с Rвх , то заметная часть сигωC1 нала генератора u Г будет выделяться на X C1 , тем самым уменьшая

сопротивление X C1 =

долю сигнала, приходящегося на Rвх . Эта часть будет зависеть от частоты сигнала и будет тем больше, чем больше X C1 , т.е. чем меньше частота ω . Если u Г изменяется скачком, то потенциал базы будет изменяться во времени по экспоненте:

⎛ t ⎞ u Б (t ) = u Г ⋅ γ ⋅ exp⎜⎜ − ⎟⎟ , где τ1 = C1⋅ ⋅ ( Rвх + RГ ) – постоянная ⎝ τ1 ⎠ Rвх времени заряда конденсатора C1 , а γ ⋅ u Г = – начальный R вх + RГ скачок потенциала базы. При достаточно длинном сигнале (длительность импульса t И сравнима с постоянной времени τ1 ) за счёт заряда конденсатора

C1 к концу длительности импульса образуется спад плоской вершины импульса напряжения на базе, (а, следовательно, и на выходном импульсе), который характеризуется отношением:

δ1 =

U ( 0 ) − U (t И ) U (t И ) =1 = 1− U ( 0) U ( 0)

exp

⁄τ .

Если разложить экспоненту в степенной ряд и ограничиться линейным членом ряда, спад плоской вершины выходного импульса, обусловленный влиянием конденсатора C1 , можно считать приблизительно равным δ1 ≈

tИ . Чем больше C1 , тем меньше спад τ1

плоской вершины. Чем больше длительность входного импульса, тем заметнее спад плоской вершины. 13

Аналогично разделительный конденсатор C 2 на выходе образует с сопротивлением нагрузки дифференцирующую цепь, и импульс напряжения на нагрузке U H (t ) I H (t ) RH имеет спад плоской вершины, который в зависимости от длительности импульса и постоянной времени заряда конденсатора τ 2 C 2 ( Rвых RH ) равен δ 2

tИ . τ2

2. Влияние блокирующего конденсатора C Э . С уменьшением частоты входного сигнала благодаря наличию блокирующего конденсатора модуль комплексного сопротивления обратной связи в эмиттере увеличивается. Это вызывает уменьшение коэффициента усиления по напряжению на низких частотах в фактор ОС раз, т.е. на частотах менее ω1

КU

S БТ RK , где S БТ 1 S БТ RЭ

S БТ RЭ >>1, K U

1 RЭ С Э

коэффициент усиления равен

iK – крутизна БТ. При условии, что uБ

RК * . Для сигнала с частотой свыше ω RЭ

S БТ CЭ

модуль комплексного сопротивления ОС можно считать равным 0, и обратная связь отсутствует. Коэффициент усиления по напряжению равен K U S БТ RK . На импульсном сигнале передача плоской вершины импульса идѐт по экспоненте с постоянной времени τ Э

CЭ S БТ

СЭ φ T , хаI Э*

рактеризующей время заряда блокирующего конденсатора. Таким образом, влияние блокирующего конденсатора аналогично влиянию дифференцирующей цепи, на плоской вершине импульса появляется спад δ Э

tИ , величина которого зависит от длительноτЭ

сти импульса и величины ѐмкости конденсатора C Э . 14

Нижняя граничная частота усилителя определяется совместным действием конденсаторов C1 , C 2 , C Э . В первом приближении нижнюю граничную частоту усилительного каскада можно характеризовать эквивалентной постоянной времени τ ниж , т.е.

f Н.гр

1 1 1 1 1 , где = + + . 2 πτ ниж τ ниж τ 1 τ 2 τ Э

Результирующий спад плоской вершины импульса (линейные искажения в области низких частот) равен δ δ1 δ 2 δ Э . В частотной области спаду плоской вершины соответствует уменьшение коэффициента усиления и дополнительный сдвиг фазы на низких частотах. При одинаковых номиналах емкостей разделительных и блокирующего конденсаторов постоянная времени блокирующего конденсатора – самая маленькая, и поэтому блокирующий конденсатор оказывает определяющее влияние на значение нижней граничной частоты. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Прочитать и выучить определения понятий: режим каскада по постоянному току, динамический диапазон усилителя. Знать определения основных малосигнальных параметров усилителя – коэффициента усиления по напряжению, входного сопротивления, выходного сопротивления. 2. Продумать вид зависимостей K U ( RГ ) и K U ( RН ) . 3. Выучить, какие элементы схемы обусловливают искажения выходного сигнала в области малых времѐн, знать вид искажений. 4. Выучить, какие элементы схемы обусловливают искажения выходного сигнала в области больших времѐн, знать вид искажений. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Подключить к макету напряжение питания. Записать номиналы элементов схемы усилительного каскада. Измерить значения 15

напряжений на электродах транзистора. Рассчитать значения токов I К , I Э . Найти координаты рабочих точек Q1 и Q2 . Примечание. В макете используется германиевый транзистор типа p-n-p, поэтому Eип = −15 В. 2. Используя генератор синусоидальных сигналов, построить амплитудную характеристику (зависимость U Н (U Г ) ) усилительного каскада на биполярном транзисторе. Рассчитать коэффициент усиления по напряжению. Определить динамический диапазон усилительного каскада ( U вх..макс ). Указания. Установить значения RГ = 1,5 кОм, RН = 10 кОм,

С1 = С 2 = С Э = 47 мкФ. Частота входного сигнала f = 1 кГц; начальная амплитуда сигнала генератора U Г = 10 мВ, шаг изменения амплитуды сигнала генератора ΔU Г = 5...10 мВ. 3. Зарисовать осциллограммы напряжения Г и соответстс помощью двухкавующего ему напряжения на нагрузке Н нального осциллографа на двух частотах f = 1 кГц и

f = 100 кГц. Определить коэффициент усиления K U ( f ) и сдвиг фазы на этих частотах. В заключении объяснить различие в осциллограммах. Примечание. При выполнении пп. 3–6 амплитуда входного напряжения не должна выходить за пределы динамического диапазона, определённого в п.2. 4. При тех же номиналах, что в п.2, измерить входное и выходное сопротивления усилителя (см. описание методики измерений на с. 8 и 9). 5. Зарисовать осциллограммы U Г (t ) и U Н (t ) при воздействии короткого импульса. Измерить время нарастания выходного импульса, время среза и коэффициент усиления. Сравнить значение коэффициента усиления со значением, полученным в п.2, объяснить различие.

16

Указания. Установить значения RГ

С1 С2 СЭ t И 10 мкс.

47 мкФ .

Длительность

200 Ом, RН входного

300 Ом, импульса

6. Зарисовать осциллограммы U Г (t ) и U Н (t ) при усилении “длинного” импульса ( t И 200 мкс). Измерить величину спада плоской вершины выходного импульса для разных сочетаний значений ѐмкостей конденсаторов С1 , С 2 , С Э : а) С1

С2

СЭ

47 мкФ;

б) С1

С2

СЭ

3,3 мкФ;

в) С1 С 2 47 мкФ, С Э Объяснить результаты.

3,3 мкФ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Нарисовать схему усилительного каскада на биполярном транзисторе, объяснить назначение каждого из элементов схемы. В какой области работы находится биполярный транзистор? Найти координаты рабочей точки на выходных ВАХ. 2. Что такое амплитудная характеристика? Какие параметры усилительного каскада можно определить по амплитудной характеристике? Как изменится амплитудная характеристика, если увеличить сопротивление резистора RК ? 3. Что такое динамический диапазон? С чем связано ограничение максимального входного сигнала? 4. Как зависит коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада от величины сопротивления нагрузки? Как изменится K U при увеличении сопротивления RГ ? 5. Нарисовать амплитудно-частотную характеристику усилительного каскада. Объяснить поведение АЧХ на низких и высоких частотах. 6. Найти время нарастания фронта, если известна верхняя граничная частота усилительного каскада. Какие элементы схемы от17

вечают за появление конечного значения времени нарастания фронта? 7. Какие элементы схемы отвечают за появление спада плоской вершины выходного импульса?

18

Лабораторная работа 2

Интегральный операционный усилитель Цель: ознакомление с методами построения схем на основе интегрального операционного усилителя – ИОУ (работа ИОУ с различными обратными связями). ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Операционный усилитель (ОУ) получил своё название от сферы применения. ОУ использовался главным образом в аналоговых вычислительных схемах для выполнения таких математических операций, как суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, логарифмирование и т.п. В аналоговых схемах ОУ охватывают отрицательными обратными связями (ООС) различного типа. Качество выполнения математических операций зависит от параметров ОУ и элементов ООС. Чтобы ошибки выполнения математических операций с помощью усилителя, охваченного ООС, были минимальными, необходимо предъявлять жёсткие требования к параметрам самого усилителя. Идеальный ОУ должен обладать бесконечно большим коэффициентом усиления дифференциального сигнала ( К ОУ → ∞) , нулевым усилением синфазного сигнала, бесконечно большим входным сопротивлением, нулевым выходным сопротивлением. При бесконечно большом коэффициенте усиления дифференциального сигнала разность потенциалов между входами стремится к нулю. Рассмотрим работу идеального ИОУ в случае, когда входной сигнал поступает на инвертирующий вход ИОУ, так называемое инвертирующее включение ИОУ. В этом случае, охватывая идеальный ИОУ параллельной ООС по напряжению, получим схему, приведённую на рис. 2.1. Часть выходного сигнала, равная γ ОС =

R1 , возвращается R1 + R2

на инвертирующий вход ИОУ, где в точке А суммируются токи, протекающие по резисторам R1 и R2 . Так как у идеального ИОУ 19

разность потенциалов входов равна нулю, то потенциал точки А принимает значение потенциала на неинвертирующем входе, который заземлѐн. Поэтому φ А 0 (так называемый «виртуальный» нуль). R2 I2 R1

А

Uвх Uвых

I1

Рис. 2.1. Инвертирующее включение ИОУ

Поскольку у идеального ИОУ входные токи равны нулю, то выполняется равенство I 1 I 2 . Учитывая, что I 1

U вх R1

U вых , или K U .И R2

φA

U вх R1

U вых U вх

, а I2

φ A U вых , получим R2

R2 . Таким образом, коэффиR1

циент усиления по напряжению инвертирующего усилителя на основе идеального ИОУ не зависит от параметров самого ИОУ, а определяется только параметрами цепи ОС. Аналогично можно получить коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на основе ИОУ (схема включения приведена на рис. 2.2). Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ИОУ. Часть выходного напряжения U ОС γ ОСU вых подаѐтся на инвертирующий вход ИОУ, образуя последовательную ООС по напряжению. Для идеального ИОУ справедливо равенство

U вх

UA

U ОС , тогда U вых

U вх . Коэффициент усиления по γ ОС

напряжению для неинвертирующего усилителя на основе ИОУ ра-

20

вен K U .НИ

U вых U вх

R1

1 γ ОС

R2 R1

R2 . Таким образом, для R1

1

неинвертирующего включения коэффициент усиления так же, как и для инвертирующего, не зависит от параметров ИОУ, а только от параметров цепи ООС. R2 R1

А Uвых Uвх

Рис. 2.2. Неинвертирующее включение ИОУ

Для решения дифференциальных уравнений с помощью аналогового вычислительного комплекса, необходимы устройства, выполняющие функции суммирования нескольких сигналов и интегрирования. Подобные устройства достаточно просто построить на ИОУ. Рассмотрим схему инвертирующего сумматора (рис. 2.3). R3

Uвх3 Uвх2

R2 R1

I3

RОС I

I2 А

Uвх1 Uвых

I1

Рис. 2.3. Инвертирующий сумматор на три входа

В точке А происходит суммирование токов I 1 , I 2 , I 3 , I ОС . Неинвертирующий вход ИОУ заземлѐн, поэтому потенциал точки А 21

равен нулю. Входной ток инвертирующего входа ИОУ равен нулю (идеальный ИОУ). Для точки А выполняется уравнение:

U вх1 R1

U вх2 R2

U вх3 R3

U вых RОС

0 . Отсюда выходное напряжение

схемы сумматора равно:

U вых

RОС R1

U вх1

U вх2

RОС R2

U вх3

RОС , R3

или . Таким образом, каждое входное напряжение суммируется со своим коэффициентом передачи k i . Подбором сопротивлений R i можно установить k i

1 , или любое другое значение. С

IС R

Uвх

А Uвых

IR

Рис. 2.4. Интегратор на ИОУ

На рис. 2.4 приведена схема интегратора на основе ИОУ, конденсатор с ѐмкостью С включѐн в цепь ООС усилителя. Считаем ИОУ идеальным. Тогда ток через конденсатор равен току через резистор R : I C I R . Ток через конденсатор может протекать только при условии, что напряжение на нѐм меняется. Следовательно, U C f(t). Напряжение на конденсаторе связано с током через него интегральным уравнением: U C (t )

1 C

t

I C (t ) dt Q0 , где Q0 – 0

величина заряда на конденсаторе к моменту начала интегрирования 22

. Учитывая, что U A

0,

и IR

U вх , R

в интегральном виде

можно получить зависимость t

U вых

1 U вх (t ) dt U вых0 , или в дифференциальном виде R C0

dU вых dt

U вх . Постоянное слагаемое U вых0 определяет начальRC Q0 ные условия интегрирования: U вых0 U вых (0) . Если входное C напряжение – постоянное, то выходное меняется линейно от времени. Если напряжение на входе становится равным нулю, то выходное напряжение не возвращается к нулю, а просто перестаѐт меняться. Таким образом, напряжение на выходе в любой момент времени определяется “предысторией” входного напряжения. Погрешности выполнения математических операций в схемах на ИОУ. Внутренняя структура ИОУ представляет собой последовательное соединение каскадов усиления мощности. В качестве входного каскада используется обычно дифференциальный каскад, усиливающий разность двух входных напряжений, поданных на его входы. По одному из входов одновременно с усилением происходит инвертирование фазы сигнала. Промежуточный каскад усиления рассчитывается так, чтобы получить максимальное усиление. В качестве выходного каскада ИОУ используется двухтактный повторитель напряжения, имеющий малое выходное сопротивление и большой коэффициент усиления по току. Таким образом, реальный ИОУ будет обладать конечными значениями K ОУ ,

Rвых , Rвх и входных токов по каждому из входов I вх . Кроме того, из-за асимметрии плеч входного дифференциального каскада появляются разность входных токов ( I I вх.И I вх.НИ ), напряжение смещения нуля, приведѐнное ко входу, ( U вх.см ) и усиление синфазного сигнала, которое характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). 23

Каждый из этих параметров вносит погрешность в выполнение математических операций. Например, если учитывать реальное значение коэффициента усиления ИОУ K ОУ , то ошибка определения коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ИОУ ( K U .И и K U .НИ ) по формулам, выведенным

в

δ KОУ

1

предположении,

1 γ ОС K ОУ

что

K ОУ

,

равна

. Погрешность уменьшается при увеличении

глубины ООС (фактор ОС γ ОС K ОУ ). Учѐт конечного значения

R1 R2 . Учѐт конечноRвх Rвых го значения выходного сопротивления ИОУ δ Rвых . R1 R2 входного сопротивления даѐт ошибку δ Rвх

Поскольку ИОУ усиливает разность напряжений на входах, то кроме необходимого нам сигнала, он будет усиливать и дополнительный ошибочный сигнал, появляющийся между входами из-за несимметрии входного дифференциального каскада и внешних сопротивлений, подключѐнных к входам ИОУ. Кроме того, ИОУ передаѐт на выход синфазный входной сигнал с КОСС. Таким образом, в общем случае, на выходе неинвертирующего усилителя на основе ИОУ будет напряжение, равное U вых K U .НИ U вх.диф U вых.ош , U вых.ош = K U .НИ [ U вх.см + где

I вх.ср ( RНИ

RИ )

I вх

RНИ

U вх.сф

RИ

КОСС

2

U вх.диф δ] ; RИ , RНИ –

внешние сопротивления, подключѐнные на входах ИОУ (сопротивления обратной связи, внутреннее сопротивление источника входного сигнала и т.п.); U вх.диф ,U вх.сф – соответственно дифференциальная

и

δ

δ Rвх

δ KОУ

синфазная составляющие входного сигнала; δ Rвых – погрешность, внесѐнная из-за предположе-

ния идеальности ИОУ.

24

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Выучить основные схемы включения ИОУ: неинвертирующее и инвертирующее; и выражения для расчѐта коэффициентов усиления напряжения и входного сопротивления для этих включений. 2. Сравнить вид передаточной характеристики идеального и реального ИОУ. Отметить и объяснить различия. 3. Выучить определение параметра напряжение смещения нуля, прочитать методику измерения U вх.см , продумать значения номиналов резисторов схемы измерения, чтобы погрешность измерения была минимальной. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ Установить два напряжения питания ИОУ: Е1

Е2

15 В и

15 В. Подключить их к макету.

1. Собрать схему инвертирующего усилителя на основе ИОУ (см. рис. 2.1), в которой значения сопротивлений равны R1 20 кОм , R2 100 кОм. А. Измерить коэффициент усиления напряжения, подавая на вход синусоидальный сигнал с амплитудой U Гm 0,1 В и частотой f 500 Гц. Сравнить с теоретическим значением коэффициента усиления, рассчитанным по формуле для инвертирующего усилителя. Зарисовать осциллограммы. Б. Измерить входное сопротивление усилителя, используя методику измерения из предыдущей лабораторной работы. Сравнить результат измерения с теоретическим значением Rвх для данного включения ИОУ. 2. Собрать схему для измерения U вх.см . Измерить напряжение на выходе. Рассчитать напряжение смещения нуля

U вх.см

U вых R1 . R2

25

Указания. Для измерения U вх.см в схеме инвертирующего усилителя

заземлить

вход.

Параметры

каскада:

R1

200 Ом ,

20 кОм . 3. Собрать схему инвертирующего сумматора на два входа (см. R1 20 кОм , R2 2 кОм , рис. 2.3) с параметрами R2

RОС

20 кОм ). Подавая на входы синусоидальные сигналы с ам-

плитудами U Гm1

0,1 В и U Гm 2

0,01 В , измерить выходное на-

пряжение. Сравнить с теоретическим значением U вых . 4. Собрать схему неинвертирующего усилителя (см. рис. 2.2). Подавая на вход прямоугольные импульсы с амплитудой U Гm1 0,1 В и длительностью t И 10 мкс , зарисовать осциллограммы выходного напряжения для трѐх случаев: а) R1 20 кОм , R2 100 кОм ; б) R1

20 кОм , R2 40 кОм , R2

20 кОм ; 100 кОм .

в) R1 Измерить коэффициент усиления для всех случаев, сравнить с теоретическим расчѐтом. Указания. Для уменьшения погрешности на неинвертирующем входе включить балансное сопротивление R3 20 кОм . 5. Собрать схему интегратора на основе ИОУ (см. рис. 2.4). Параметры каскада R1 20 кОм , С 100 пФ . Подать на вход прямоугольный импульс с амплитудой U Гm1

1 В и длительностью

10 мкс . Зарисовать осциллограмму выходного напряжения и измерить изменение U вых за время длительности сигнала. СравtИ

нить с результатом расчѐта. Указания. Для уменьшения погрешности параллельно конденсатору включить резистор утечки с сопротивлением Rу т 2,0 МОм .

26

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Нарисовать передаточную характеристику реального ИОУ. Какие параметры ИОУ можно по ней определить? 2. Нарисовать схему неинвертирующего усилителя на основе ИОУ. Вывести формулу для расчѐта коэффициента усиления. 3. Нарисовать схему инвертирующего усилителя на основе ИОУ. Вывести формулу для расчѐта коэффициента усиления. 4. Если входной сигнал поступает на один из входов ИОУ (инвертирующий или неинвертирующий), то какое напряжение следует подать на второй вход? Почему нельзя оставить неподключѐнным («болтающимся») второй вход? 5. Нарисовать схему на основе ИОУ, позволяющую получить выходное напряжение, равное: U вх ; а) U вых б) U вых в) U вых г) U вых

k1U вх1

k 2U вх2 ;

k1 (U вх1 U вх2 ) ; k1U вх1 k 2U вх2 ; k1 (U вх1 k 2U вх2 ) .

д) U вых Для каждой схемы записать соотношения между сопротивлениями, обеспечивающими данное усиление. 6. Какими динамическими параметрами характеризуется ИОУ? 7. Объяснить форму выходного сигнала интегратора.

27

Лабораторная работа 3

Ключ на биполярном транзисторе с резистивной схемой управления Цель: изучение основных характеристик и параметров ключевого каскада на биполярном транзисторе (БТ) по схеме с общим эмиттером, ознакомление с методикой измерения параметров каскада. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Электронный ключ предназначен для замыкания и размыкания участка электрической цепи. Ключ имеет два статических состояния: замкнутое (включено, ON) и разомкнутое (выключено, OFF). Переключение между этими состояниями осуществляется с помощью управляющего сигнала (тока или напряжения). В замкнутом состоянии ключа сопротивление участка Е цепи АВ (рис. 3.1) должно быть равно нулю ( rAB 0 ), R следовательно, разность поIкл тенциалов между точками А и В В равна нулю (короткое замыкание), а величина тока, проУправление текающего по участку элекUкл трической цепи АВ, определяrкл ется внешними по отношению А к ключу элементами цепи (источниками питания и сопротивлениями). Рис. 3.1. Модель электронного В разомкнутом состоянии ключа идеального ключа между точками А и В образуется разрыв (сопротивление ключа rAB ), поэтому ток ключа равен нулю I кл

0, а разность потенциалов на

ключе U AB зависит от внешних элементов цепи. 28

Реальный ключ в отличие от идеального имеет конечные значения сопротивлений в замкнутом и разомкнутом состояниях rвкл 0, rвыкл . Поэтому ветви ВАХ реального ключа имеют наклон, определяемый этими сопротивлениями. На рис. 3.2 приведены две ветви характеристики ключа, соответствующие замкнутому и разомкнутому состояниям ключа. Ветвь ВАХ для замкнутого состояния снята при величине управляющего сигнала, равной U у пр1 , а ветвь ВАХ разомкнутого состояния ключа – при величине управляющего сигнала U у пр2 . Рабочие точки для каждого из двух статических состояний находятся в местах пересечения нагрузочной характеристики ( Е, E R ) и соответствующей ветви ВАХ для замкнутого и разомкнутого состояний. Включѐнное состояние (рабочая точка Q1 ) соответствует уровню управляющего сигнала

U у пр1 , а выключенное (рабочая точка Q2 ) – U у пр2 .

Iкл

ВАХ замкнутого состояния Uупр 1

Е/R Iвкл

Q1

Нагрузочная прямая

ВАХ разомкнутого состояния Q2 Uупр 2

α1=1/rвкл Iост α2=1/rвыкл U0

U1

Рис. 3.2. ВАХ электронного ключа

29

Е

Uкл

Самое большое напряжение на ключе появляется в разомкнутом состоянии (координата рабочей точки Q2 по напряжению). Это 1 напряжение называется уровнем логической единицы ( U вых

U Q2 ).

Уровень логической единицы задаѐтся внешним источником напряжения Е . Если сопротивление разомкнутого ключа rвыкл ,а в ключе протекает остаточный ток I ост разомкнутом

ключе

равно

I Q2 , то напряжение на

U разомкн.кл

1 U вы х

E I ост R

I ост rвыкл . В идеальном ключе уровень логической 1 максимален 1 E. и равен напряжению источника питания цепи U вых Ток, протекающий в замкнутом ключе, определяется нагрузочной прямой, т.е. внешними параметрами Е и R . Напряжение на 0 замкнутом ключе равно U замкн.кл U вых E I вкл R I вкл rвкл .

.

На рис. 3.3 приведены выходные ВАХ БТ IК

Насыщение

IБ1

IБ2

Q1

IБ3

Q2 Отсечка

UКЭ

Рис. 3.3. Выходные ВАХ БТ и рабочие точки, соответствующие замкнутому и разомкнутому состояниям ключа

Благодаря нелинейности выходных характеристик БТ, на которых можно выделить почти горизонтальные ( rКЭ ) и почти 30

0 ) участки, биполярный транзистор можно вертикальные ( rКЭ использовать как ключ, замыкающий и размыкающий промежуток между коллектором и эмиттером в зависимости от значения управляющего тока базы. Замкнутое состояние ключа соответствует области насыщения БТ, а разомкнутое состояние – области отсечки. Выходные ВАХ БТ имеют параметром ток базы, поэтому для управления ключом с помощью источника напряжения ( U у пр ) необходима схема управления, преобразующая потенциальный входной сигнал в токовый. Схема ключа на биполярном транзисторе с резистивной схемой управления приведена на рис. 3.4. ЕК RК Uвых R1

База

Uупр

T RН R2 Есм Рис. 3.4. Схема ключа на БТ с резистивной схемой управления

Состояния разомкнутого и замкнутого ключа обеспечиваются схемой управления, состоящей из источника напряжения смещения Е см и резисторов R1 и R 2 . Исходным состоянием ключа может быть как замкнутое, так и разомкнутое. Энергетически более выгодно состояние разомкнутого ключа, так как в отсечке транзистор не потребляет энергии ни от управляющего источника, ни от коллекторного источника питания.

31

При нулевом управляющем напряжении ( U у пр1

0 ) потенциал

базы БТ меньше или равен потенциалу эмиттера ( U Э

0 ) благо-

даря источнику смещения Е см 0 . В этом случае как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, так что транзистор находится в отсечке, а ключ разомкнут. Токи через обратносмещѐнные переходы пренебрежимо малы (нулевые), напряжение на коллекторе равно коллекторному питанию Е К . На выходе устанавливается уровень логической единицы – самый высокий потенциал в данной схеме. Высокий уровень входного (управляющего) сигнала ( U вх2 U 1 ) должен обеспечить насыщение транзистора в нагрузочном ключевом элементе (нагрузкой ключа обычно является аналогичный ключевой каскад). Ток коллектора в насыщении ограничивается внешними элементами схемы ЕК и RК : I КН где U КЭН

U БЭпр

ЕК

U КЭН RK

ЕК RK ,

U БКпр – напряжение между коллектором и

E K . Высоэмиттером транзистора в насыщении, причѐм U КЭН кий положительный потенциал на входе позволяет обеспечить ток базы транзистора на уровне, достаточном для насыщения: IБ

I Б.гр

I КН . Так как I Б β

1 U вх U БЭпр

R1

, то для насыщения

транзистора должно выполняться условие R1 βRK . Основной характеристикой ключа является его переключательная характеристика – зависимость коммутируемого напряжения от управляющего напряжения . При нулевом входном напряжении благодаря источнику смещения потенциал на базе оказывается отрицательным, поэтому U Б U Э , U Б U К и переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении. Ток базы равен нулю, ток коллектора равен нулю, а транзистор находится в области отсечки. Коллекторное напряжение определяется источником коллекторного питания и коллекторным сопротив32

лением: U КЭ U вых Е К I K RK E K . Это состояние сохраняется, пока транзистор находится в отсечке, т.е. переход базаэмиттер закрыт. В этой области работы напряжение на коллекторе (выходе) не зависит от величины U у пр . Для отпирания эмиттерного перехода необходимо, чтобы напряжение на базе достигло уровня, достаточного для прямого смещения эмиттерного перехода ( U БЭпр ) ( U БЭпр – параметр БТ). Потенциал базы относительно эмиттера складывается под влиянием Е см : U у пр двух источников напряжения и

UБ

U у пр R2 R1

R2

Eсм R1 R1

R2

. Напряжение на входе, при котором

произойдѐт отпирание эмиттерного перехода, называется входным напряжением отпирания ключа: U у пр U вх.от . Итак, пока

0 U у пр

U вх.от , транзистор находится в отсечке и выходной по-

тенциал равен уровню логической единицы. После отпирания эмиттерного перехода ( U у пр

U вх.от ) транзистор попадает в нормальный активный режим работы (эмиттерный переход смещѐн прямо, а коллекторный – обратно). Появляется ток базы, возрастающий с ростом входного напряжения. Поскольку в активной области ток коллектора пропорционален току базы I K β I Б , то при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, а коллекторное напряжение уменьшается. Когда напряжение на коллекторе уменьшится настолько, что U Б станет больше U K на величину, достаточную для отпирания перехода, откроется коллекторный переход транзистора, и БТ попадает в область насыщения. Ток коллектора перестаѐт увеличиваться, ограниченный значениями Е К и RК , а потенциал коллектора фиксируется на уровне U КЭН U БЭпр U БКпр . Это напряжение является параметром БТ и практически не зависит от тока базы, а определяется материалом и технологией производства БТ. Обычно U КЭН 0,1 В . Напряжение на входе, при котором коллекторный переход смеща33

ется в прямом направлении, называется граничным ( U вх.гр ) и соответствует границе между активной областью работы БТ и областью насыщения. В этой точке выполняются одновременно условия насыщения и активной области, т.е. I K I КН и I K β I Б.гр . При дальнейшем увеличении входного напряжения ток базы БТ будет возрастать, но ток коллектора и напряжение на коллекторе более не изменяются. Изменяется только глубина насыщения, которая характеризуется коэффициентом насыщения К Н

IБ , показыI Б.гр

вающим во сколько раз текущий ток базы превосходит граничный ток базы. Общий вид переключательной характеристики ключа показан на рис. 3.5. Uвых

Отсечка

U1

Нормальная активная область

Насыщение U0 Uвх.от

Uупр

Uвх.гр

Рис. 3.5. Переключательная характеристика ключа на БТ с резистивной схемой управления

Для прикидочных расчѐтов обычно переключательную характеристику аппроксимируют линейными отрезками для каждой из областей работы БТ, получая кусочно-линейную аппроксимацию, приведѐнную на рис. 3.6.

34

Uвых Uвых=Uупр

L

U1

45о

L

U0пом U1пом

Uпор.лог

L1

M

U0

1

U0 Uвх.от

U Uвх.гр Uупр а б Рис. 3.6. Кусочно-линейная аппроксимация переключательной характеристики ключа (а) и методика определения координаты точки перелома L (б)

По переключательной характеристике можно определить основные статические параметры ключа: 1) уровень логического нуля U 0 U КЭН ; уровень логической единицы U 1

ЕК ;

2) логический перепад

U1 U 0 ;

U лог

U акт U вх.гр U вх.от ; 4) пороговое напряжение (напряжение переключения, напряжение срабатывания). U пор.лог – напряжение, соответствующее точке пересечения переключательной характеристики ключа и линии U вых U у пр . Напряжение U пор.лог находится примерно в середине активной зоны переключательной характеристики. Если переключательная характеристика резко спадает, то еѐ удобно аппроксими1 ровать ступенчатой функцией с перепадом от уровня U до уровня 3) ширину активной зоны

U 0 при значении управляющего напряжения U у пр

U пор.лог .

5) помехоустойчивость (запас по помехоустойчивости) – амплитуду помехи, вызывающей ложное переключение ключа из одного 35

состояния в другое. Если ключ находится в состоянии логической единицы по выходу (на входе – логический нуль), то чтобы перевести ключ в другое состояние, необходимо подать на вход напря0 0 жение, большее U пом U вх.от U . Если ключ находится в состоянии логического нуля (на входе – логическая единица), то, чтобы переключить ключ в состояние логической 1, необходимо подать на вход запирающее напряжение не меньше, чем 1 U пом U 1 U вх.гр . Процессы переключения ключа. Длительность процесса переключения ключа зависит от динамических параметров транзистора и реактивных элементов в цепях управления и нагрузки. При переключении из одного состояния в другое транзистор проходит три области ВАХ, поэтому длительность переключения представляет собой сумму времѐн нахождения транзистора в каждой из областей. Так, при отпирании ключа, т.е. при переходе из области отсечки в область насыщения через нормальную активную область, переходный процесс начинается в отсечке с заряда входной ѐмкости транзистора Свх до напряжения, при котором отпирается переход база-эмиттер (задержка отпирания), далее формируется фронт выходного сигнала в активной области, где динамические параметры транзистора характеризуются постоянной времени τ экв , и заканчивается в области насыщения, где поведение БТ описывается постоянной времени накопления заряда τ н . При запирании ключа процесс – обратный, транзистор последовательно проходит через три области работы, т.е. из насыщения через активную область в отсечку. Для рассмотрения переходных процессов в ключе упростим схему ключа, объединив в одном эквивалентном генераторе U вх.экв источник управляющего сигнала U у пр и источник напряжения смещения Е см . Пусть напряжение эквивалентного генератора скачком изменяется от уровня – Е см до максимального значения управляющего сигнала, соответствующего логической единице, Е К заведомо обеспечивает насыщение Е К . (Значение U вх.экв 36

транзистора.) Временные диаграммы переходного процесса переключения ключа приведены на рис. 3.7. А. Процесс отпирания ключа. В исходном состоянии на входе Е см . Оба перехода БТ смещены в действует напряжение U вх.экв обратном направлении. Сопротивления обратносмещѐнных переходов бесконечно велики. Тогда эквивалентная схема входной цепи ключа состоит только из входной ѐмкости, равной сумме барьерных ѐмкостей обратносмещѐнных переходов: С вх С Э С К . При скачке входного напряжения потенциал на базе БТ будет изменяться по экспоненте благодаря заряду входной ѐмкости через сопротивление R Б : , где U вх.m EК Есм , а постоянная времени заряда входной ѐмкости τ Б

Свх RБ . Пока напряжение на базе не достигнет значения

U БЭпр , транзистор остаѐтся в отсечке, напряжение на выходе не изменяется, токи равны нулю. Время заряда входной ѐмкости от уровня Е см до уровня U БЭпр определяет время задержки начала изменения выходного сигнала относительно входного скачка. В момент t1 напряжение на базе становится равным U БЭпр , т.е. U Б (t1 ) U БЭпр . Тогда задержка от10 пирания составит t зд

t1 t 0

τ Б ln

U вх.m . EК U БЭпр

Так как Свх транзистора обычно невелика (единицы пикофарад), а Е К

U БЭпр , то время задержки отпирания тоже невелико (единицы наносекунд).

37

Uвх

τБ

UБ

ЕК UБЭпр t0 –Есм βIБm

t t1

τэкв

IКН

IK

IБm

IБ

t4

t2

UK

t

ЕK

UKЭH t q

t

10 зд

τн

t зд01

qуст

3τн

t3

t t5

Рис. 3.7. Временные диаграммы переходного процесса переключения ключа на БТ с резистивной схемой управления

38

После отпирания эмиттерного перехода напряжение на базе фиксируется на уровне U БЭпр , а БТ оказывается в нормальной активной области. Ток базы скачком изменится от 0 до уровня I Б.m , который определяется амплитудой управляющего сигнала

U вх.экв

E К , I Бm

EК U БЭпр RБ

. Значение сопротивления R Б

выбирается так, чтобы выполнялось условие насыщения БТ I Б.m I Б.гр . В активной области ток коллектора изменяется по экспоненте с эквивалентной постоянной времени τ экв τ β β С К RK , учитывающей как зависимость коэффициента передачи тока базы β от частоты, так и изменение объѐмного заряда у коллекторного перехода (перезаряд ѐмкости коллекторного перехода C K ): . Ток коллектора стремится установиться на уровне I K.m β I Б.m , однако он не может быть больше тока коллектора насыщения I KH . Поэтому достигая в момент времени t 2 значения

I KH , ток коллектора ограничивается на этом уровне I K (t 2 )

I KH .

Далее транзистор попадает в область насыщения, и выходной сигнал перестаѐт изменяться. Сформировался фронт выходного напряжения, длительность которого равна времени нахождения БТ в 10 t 2 t1 ). В соответствии с экспоненциальактивной области ( t ной аппроксимацией переходного процесса длительность сформи10 рованного фронта при отпирании равна t

τ экв ln

β I Б.m . β I Б.m I KH

Чем больше амплитуда управляющего (входного) сигнала, тем короче фронт отпирания, так как занимает меньшую часть экспоненты. После t t 2 напряжение на выходе и ток коллектора больше не изменяются. Однако переходный процесс ещѐ не закончен. В базе 39

происходит установление заряда носителей, соответствующего глубине насыщения транзистора К Н

β I Б.m . I KH

В режиме насыщения через переходы протекают значительные токи. Токам соответствуют объѐмные заряды в базе у переходов. Изменение заряда – инерционный процесс, причѐм скорость изменения заряда пропорциональна току, вызывающему данное изменение заряда,

dq dt

b I (t ) , где b – коэффициент пропорциональ-

ности. Решением данного дифференциального уравнения является экспонента с постоянной времени накопления τ н , определяемой средним временем жизни носителей заряда в базе БТ в случае прямо смещѐнных переходов: , где q у ст – установившееся значение заряда, пропорциональное току базы I Б.m . Поскольку в процессе накопления заряда транзистор остаѐтся в одной и той же области работы, т.е. процесс можно считать линейным, то время установления заряда в базе с точностью 5 % равно 3τ н . Таким образом, переходный процесс при отпирании ключа заканчивается в момент t t 3 , а t 3 t 2 3τ н . Б. Процесс запирания ключа. В исходном состоянии ключ замкнут, транзистор находится в режиме насыщения. Состояние насыщения БТ обеспечивается величиной входного управляющего наE К , которое задаѐт ток базы, равный пряжения U вх.экв

I Б.m

E К U БЭпр

.

Ток

коллектора

постоянен

RБ E K U КЭН I KH , а выходное напряжение U вых RK накоплен заряд носителей q у ст τ н I Б.m .

40

и

равен

U КЭН . В базе

В момент t t 4 подадим ступеньку управляющего напряжения запирающей полярности. Напряжение на входе скачком уменьшитЕ см . Поскольку в базе транзистора накопся до уровня U вх.экв лен избыточный заряд носителей q у ст , который не может измениться мгновенно, то и напряжения на переходах транзистора не могут измениться мгновенно. Значит, в момент подачи входного запирающего сигнала на p-n переходах сохраняется прямое смещение, а следовательно, коллекторный ток и выходное напряжение не могут меняться. Для обеспечения обратного смещения переходов (область отсечки БТ) необходимо, чтобы заряды из базы ушли, т.е. требуется время на рассасывание носителей из базы. Поскольку входное напряжение поменяло полярность на запирающую, то базовый ток принимает значение I Бзап

Eсм

U БЭпр RБ

, т.е. также

меняет направление. Благодаря изменению направления базового тока заряд в базе плавно уменьшается (выносится током базы), стремясь к уровню, соответствующему новому значению тока базы . Заряд в базе изменяется экспоненциально с постоянной времени накопления τ н . Когда концентрация носителей в базе возле перехода падает до 0, переход смещается в обратном направлении (запирается). Если заряд рассасывается раньше у коллекторного перехода ( q K 0 ), то запирается сначала коллекторный переход, а транзистор попадает в нормальную активную область работы (t t 5 ) . Этот случай называется нормальным запиранием. Только после попадания в активную область ток коллектора, а следовательно, и выходное напряжение ключа могут изменяться. Процесс рассасывания избыточного заряда носителей в базе обусловливает задержку запирания:

t зд01

t5

t4

τ н ln 1

I Б.m . I Б.зап

Фронт запирания формируется в активной области работы БТ. Этот процесс хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией с постоянной времени τ экв для нормальной активной области. 41

В этом случае длительность времени фронта выключения можно оценить по приближѐнной формуле:

t 10

τ экв ln

I Б.m I Б.m

I Б.зап

I Б.зап

I Б.гр

.

В течение этого времени ток коллектора уменьшается от I KH до нуля, выходное напряжение увеличивается от U вых

U КЭН до

уровня коллекторного питания Е К , а базовый ток уменьшается от уровня I Б.зап до нуля. Далее транзистор попадает в отсечку, таким образом, переходный процесс запирания ключа завершѐн. Итак, к динамическим параметрам ключа относятся времена задержек и фронтов. Быстродействие ключей и логических элементов на ключах оценивают по сумме времѐн этапов переходного процесса. Максимальная частота переключения равна

f макс

1 2 π (t

10 зд

t

10

t зд01

t 01 )

.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Выучить определения основных параметров ключа. 2. Рассчитать теоретическое значение U вх.от . (Напряжения ис-

5 В и Е см

точников питания и смещения Е K лы

сопротивлений

ключа:

R1

1 кОм,

1 В . Номина-

R2

5,1 кОм,

1 кОм. ) 3. Продумать, как влияют номиналы элементов схемы на основные статические параметры ключа. 4. Выучить этапы переходного процесса переключения ключа при отпирании транзистора и при запирании транзистора, продумать, как влияет на времена фронтов и задержек амплитуда управляющего сигнала. RК

42

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ Подключить к макету питание

ЕK

5В

и смещение

1 В.

Е см

1. Определить исходное состояние ключа – замкнутое или разомкнутое, записать данные измерений. Вход ключа для управляющих сигналов заземлить. 2. Используя генератор синусоидальных сигналов и двухканальный осциллограф в соответствии со схемой измерения, приведѐнной на рис. 3.8, получить на экране осциллографа и зарисовать зависимость – переключательную характеристику ключа. Указание. Частота синусоидального сигнала f 50...500 Гц, амплитуда U вх.макс

3... 5 В .

Ключ (макет) Выход

Uупр

Вход

Осциллограф Вход Y1 Вход Х Вход Y2

Рис. 3.8. Схема снятия переключательной характеристики ключа

Измерить и записать характерные параметры переключательной характеристики ключа: U 1 , U 0 , U вх.от , U вх.гр . Рассчитать экспе1 0 , U пом . риментальные значения параметров U лог , U акт , U пом Сравнить с теоретическими значениями. Зарисовать в том же масштабе характеристику , объяснить еѐ ход.

43

Примечание. Для измерения уровня логического нуля U 0 увеличить масштаб по оси Y. 3. Исследовать влияние значений Е см , Е К , R1 , RК , RН на каждый из вышеперечисленных параметров переключательной характеристики ключа. В заключении к отчѐту объяснить ход зависимостей с точки зрения физических процессов, происходящих в ключе. 4. Наблюдать переходный процесс отпирания и запирания ключа. Зарисовать осциллограммы . 01 10 01 10 Измерить t зд , t зд , t , t . Указание. На вход ключа подаѐтся прямоугольный импульс с амплитудой, равной логическому перепаду U лог U 1 U 0 и длительностью t И

10 мкс.

5. Снять зависимость

. Объяснить ход зависимости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Нарисовать схему ключа, выделить в ней элементы, относящиеся к схеме управления и к самому ключу. 2. Какие статические параметры характеризуют замкнутое состояние ключа? Какие параметры БТ определяют статические параметры замкнутого ключа? 3. Какие статические параметры характеризуют разомкнутое состояние ключа? 4. Что такое переключательная характеристика? Из каких участков она состоит? Какие статические параметры ключа можно определить по переключательной характеристике ключа? 5. Что такое помехоустойчивость ключа? Почему для состояния логической единицы и состояния логического нуля помехоустойчивость неодинакова? Как можно увеличить помехоустойчивость по уровню логического нуля? 6. Нарисовать зависимости , , . 7. Как происходит включение ключа? Какие этапы переходного процесса при включении можно выделить? Чем определяется длительность этих этапов? 44

8. Как зависит время задержки включения от амплитуды входного управляющего сигнала? Дать теоретическое объяснение. 9. Исходное состояние ключа – замкнутое. Ключ выключают с помощью управляющего сигнала запирающей полярности. Будет ли наблюдаться зависимость , и если будет, то какая?

45

Лабораторная работа 4

Генераторы прямоугольных импульсов на логических элементах Цель: изучение принципов формирования одиночных импульсов и бесконечной последовательности импульсов на логических элементах. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Генератором прямоугольных импульсов называется устройство, которое вырабатывает на выходе последовательность импульсов с короткими фронтами ( t 10 , t 01 << t И , t П ). Генераторы могут работать в двух режимах: автоколебательном – схема не требует внешнего управляющего сигнала. При включении питания на выходе устройства возникают прямоугольные импульсы, параметры которых определяются параметрами самого устройства; ждущем – устройство находится в некотором устойчивом состоянии, и только при поступлении внешнего управляющего (запускающего) сигнала генерирует на выходе один или несколько (пачку) импульсов, после чего восстанавливает свое исходное состояние и ожидает прихода следующего запускающего сигнала. Параметры выходного импульса определяются параметрами самого устройства, а момент появления связан с моментом запуска. По принципу формирования импульса генераторы разделяются на релаксационные генераторы и генераторы с задержанной ОС. Релаксационные генераторы. Такие генераторы используют частотно-зависимую положительную ОС (ПОС) с реактивными элементами (например, конденсаторами) в цепи ОС и пороговые свойства ключевых элементов. Релаксационным генераторам свойственно наличие временно-устойчивых состояний. Временноустойчивое состояние характеризуется сравнительно медленным изменением токов и напряжений в схеме, обусловленным накоплением или рассеиванием энергии в реактивных элементах. Медленные изменения токов и напряжений в схеме приводят в конце кон46

цов к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для регенеративного процесса, т.е. скачкообразного перехода из одного состояния в другое, обусловленного влиянием ПОС. Таким образом, цикл работы релаксационного генератора состоит из чередования процесса регенерации (формирования фронта или среза импульса) и процесса релаксации (формирования длительности импульса или паузы). Реактивные элементы в цепи ОС называются времязадающими, или хронирующими, так как длительность процесса перезаряда конденсатора в цепи ОС задает длительность импульса или паузы. Релаксационные генераторы на логических элементах с одной времязадающей цепью. Схема автоколебательного генератора на двух инверторах приведена на рис. 4.1. Последовательная цепь из двух логических элементов ЛЭ1 и ЛЭ2 обладает неинвертирующей переключательной характеристикой. Конденсатор емкостью C включен в цепь положительной ОС, а резистор с сопротивлением R – в цепь отрицательной ОС (ООС). При разорванной ПОС в схеме установится состояние U А U вых1 U вых2 U пор.лог . Это состояние при замкнутой ПОС неустойчиво, и схема переходит в одно из двух состояний: U вых2 U 0 или U вых2 U 1 . Переключение произойдет практически мгновенно, так что напряжение на емкости ( U C измениться не успевает.

U вых2 U вх1 )

C

А UА

ЛЭ1

ЛЭ2

1

1 Uвых2 I1

Uвых1

R Рис. 4.1. Схема релаксационного генератора на двух ЛЭ с одной времязадающей цепью

47

На рис. 4.2 приведены временные диаграммы работы релаксационного генератора. Пусть в момент времени t 0 потенциал на входе ЛЭ1 оказался меньше порогового напряжения U A U пор.лог , тогда на выходах ЛЭ установится состояние U вых1

U вых2

U1 и

U 0 . Конденсатор С заряжается током I 1 через резистор R ,

причѐм поскольку U вых2 U 0 , то изменение напряжения на конденсаторе может происходить только за счѐт изменения напряжения U А . Потенциал на входе ЛЭ1 будет расти по экспоненте с постоянной времени τ Когда U вх1

U пор.лог

состояние U вых1

RC , стремясь достичь уровня U вых1 U 1 . (момент времени t 0 ), ЛЭ1 переключается в

U 0 , за ним переключается ЛЭ2, устанавливается

U 1 . Так как напряжение на емкости не может измениться мгновенно ( U C const ), то перепад на выходе ЛЭ2 полностью передается через конденсатор на вход ЛЭ1, где образуется скачок напряжения, равный U лог E , затем потенциал на входе ЛЭ1 U вых2

начинает уменьшаться, стремясь к уровню U 0 , с той же постоянной времени τ RC . Поскольку при этом напряжения на выходах ЛЭ1 и ЛЭ2 не меняются, то это состояние называется временно-устойчивым. Длительность этого состояния определяется временем изменения потенциала U А от начального значения (равного сразу после переключения в момент t 0 U A (t 0 )

U пор.лог

уровня ЛЭ1 ( U A

U лог ) до порогового

U пор.лог ). Затем происходит практически мгновенное переключение ЛЭ1 в единичное состояние по выходу, а ЛЭ2 – в нулевое ( U вых1 U 1 , U вых2 U 0 ). Логический перепад с выхода ЛЭ2 передается на вход ЛЭ1 через конденсатор, после чего цикл повторяется.

48

UA=Uвх1

tП

tИ

U1 Uпор.лог t Uвых1

t

Uвых2

t

t0

0

Рис. 4.2. Временные диаграммы работы генератора

Длительности импульса и паузы зависят от параметров ЛЭ и хронирующей цепи:

tИ

RC ln

tП

RC ln

U0

(U пор.лог U

0

U лог )

U пор.лог

E (U пор.лог

U лог )

E U пор.лог

RC ln 1 RC ln 1

E U пор.лог

;

E . E U пор.лог

Автоколебательный генератор можно построить и на трех ЛЭ (см. рис. 4.3). Эта схема обладает лучшими параметрами, так как ООС через резистор охватывает три ЛЭ, что увеличивает коэффициент усиления по петле ОС. Принцип работы генератора аналогичен описанному ранее. В лабораторной работе рассматриваются схемы генераторов на КМДП-логике. ЛЭ на КМДП-транзисторах характеризуется следующими параметрами: параметрами: уровень логического нуля 49

U0

0 , уровень логической единицы U 1 Eип , пороговое напряжение U пор.лог 0,5 Eип , входное сопротивление в обоих состояниях Rвх , входной ток в обоих состояниях I вх потребляемая мощность равна нулю.

0 , статическая

C

А

ЛЭ1

ЛЭ2

ЛЭ3

1

1

1

Uвых1

Uвых2

Uвых3

R Рис. 4.3. Схема генератора на трѐх ЛЭ с одной времязадающей цепью

При условии, что U пор.лог

0,5 Eип , длительность импульса рав-

на длительности паузы: t И t П RC ln 3 1,1RC , т.е. генератор обеспечивает скважность, равную 2. Высокое входное сопротивление ключа на КМДП-транзисторах сохраняется в открытом и закрытом состояниях, что позволяет использовать в хронирующей цепи высокоомный резистор R и расширить диапазон регулировки частоты выходной последовательности импульсов. Для ЛЭ другого типа следует учитывать влияние входного и выходного сопротивлений ЛЭ. Ждущий генератор (одновибратор). Если ЛЭ1 имеет два входа, один из них можно использовать как управляющий, запрещая или разрешая генерацию импульса, а следовательно, обеспечить ждущий режим работы генератора. Схема ждущего генератора на двух ЛЭ приведена на рис. 4.4.

50

E R C A

UА

ЛЭ1

ЛЭ2

&

1

1

Uзап

U

Uвых1

Uвых2

U0 Рис. 4.4. Схема ждущего генератора на ЛЭ (одновибратора)

ООС через резистор R разорвана и на резистор подан высокий потенциал U 1 E . Одно из временно-устойчивых состояний (U вых1 U 0 , U вых 2 U 1 ) становится устойчивым. Чтобы на выходе генератора появился импульс, необходимо вывести его из устойчивого состояния с помощью внешнего, запускающего сигнала, поступающего на второй вход ЛЭ1 (выполняющего логическую функцию И–НЕ). Уровень логического нуля на управляющем входе переводит ЛЭ1 в состояние U вых1 U 1 , ЛЭ2 переключается в состояние U вых2 U 0 , и отрицательный логический перепад через конденсатор C попадает на второй вход ЛЭ1. Временные диаграммы работы ждущего одновибратора приведены на рис. 4.5. После установления нового состояния управляющий сигнал можно убрать, так как данное состояние является временно-устойчивым и поддерживается внутренними потенциалами схемы до тех пор, пока конденсатор не зарядится через сопротивление R до уровня, при котором на входе ЛЭ1 (в точке А) потенциал становится равным пороговому уровню логического элемента ( U А U пор.лог ).

51

Uзап U1

t UА

tвос

tИ

U1 Uпор.лог t

Uвых1

t Uвых2

t

t0

Рис. 4.5. Временные диаграммы работы одновибратора

Длительность выходного импульса определяется временем нахождения схемы во временно-устойчивом состоянии:

tИ

RC ln

E . E U пор.лог

По окончании выходного импульса все напряжения в схеме генератора должны восстановиться до уровня, соответствующего устойчивому состоянию. В первую очередь это касается напряжения в точке А. Восстановление исходного напряжения также аппроксимируется экспоненциальной функцией с постоянной времени τ RC . Длительность времени восстановления исходного уровня 52

3τ . Максимальная частота запус-

(с точностью до 5 %) равна tвос

ка генератора не должна превышать f зап.макс 1 (t И tвос ) . Генератор с задержанной обратной связью. Такой генератор отличается от релаксационных генераторов наличием временной задержки в цепи ОС. При этом сигнал ОС будет сдвинут относительно выходного сигнала по времени на интервал времени t . Таким образом, выходной сигнал представляет собой последовательность логических перепадов, сдвинутых на t . Обязательное условие работоспособности схемы K пет U лог 2U пор.лог , чтобы сигнал не затухал при циркуляции по петле ОС. Временную задержку в цепи ОС можно организовать различными способами. В лабораторной работе в качестве задержки используются логические элементы на КМДП-транзисторах, которые обладают средним временем задержки распространения сигнала t зд.р.ср . Простейший генератор с задержанной ОС представляет собой цепочку из нечетного количества ЛЭ, замкнутую в кольцо, (рис. 4.6). Временные диаграммы работы кольцевого генератора приведены на рис. 4.7. Все элементы ЛЭ – одинаковые, обладают одинаковыми параметрами. Время дано в относительных единицах, приведѐнное к среднему времени распространения сигнала t зд.р.ср . Период выходного сигнала определяется средним временем задержки распространения сигнала в ЛЭ и количеством ЛЭ в кольце: T 2Nt зд.р.ср .

Uвх1

ЛЭ1

ЛЭ2

ЛЭ3

1

1

1

Uвых1

Uвых2

Uвых3

Рис. 4.6. Схема кольцевого генератора на ЛЭ

53

Временной сдвиг напряжений на выходах инверторов кольца позволяет использовать данную схему в качестве генератора многофазных последовательностей импульсов.

Uвых1 U1 Uпор.лог t/tзд.р.ср

Uвых2 U1 Uпор.лог

t/tзд.р.ср

Uвых3 U1 Uпор.лог

t/tзд.р.ср 1

2

3

4

5

6

Рис. 4.7. Временные диаграммы работы кольцевого генератора

Если один из ЛЭ имеет два входа (выполняет функцию И–НЕ), то второй вход можно использовать как управляющий, или разрешающий. Уровень логической единицы на управляющем входе разрешает генерацию импульсов, а уровень логического нуля на нем – запрещает, таким образом, можно построить генератор “пачки” импульсов. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Рассчитать длительности импульса и паузы и период следования импульсов релаксационного генератора на двух ЛЭ при R 150 кОм , С 510 пФ , и двух значениях Eип 9 и 7 В. 54

2. Рассчитать длительность импульса и максимальную частоту запуска ждущего релаксационного генератора при параметрах п.1. 3. Нарисовать схемы генераторов “пачек” импульсов на основе релаксационного генератора и генератора с задержанной ОС. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Собрать схему генератора с задержанной ОС на трех ЛЭ. Зарисовать осциллограммы на выходе кольцевого генератора через дополнительный инвертор. Измерить амплитуду и период выходного сигнала при следующих условиях: а) количестве ЛЭ N = 3 и разных t зд.р.ср (для изменения t зд.р.ср подключать к выходам всех ЛЭ одновременно конденсаторы с ёмкостями 510 и 1000 пФ); б) С = 0 пФ , N = 5 ; в) N = 3 или 5 , E = 7 В . Объяснить полученные результаты. 2. Зарисовать осциллограммы переходных процессов в генераторе-релаксаторе на трех ЛЭ при R = 150 кОм , С = 1000 пФ , E = 9 В . Исследовать зависимость периода, длительностей импульса и паузы от значений R и С . 3. Снять зависимости t И = f ( E ), t П = f ( E ), T = f ( E ) . Найти минимальное напряжение источника питания, при котором еще возможна работа релаксатора. В заключении к отчёту объяснить ход зависимостей. 4. Снять осциллограммы переходных процессов в ждущем генераторе. Исследовать зависимость параметров релаксатора ( t И , t вос ) от значений R , С и амплитуды импульса запуска. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чём различие принципов действия релаксационных генераторов и генераторов с задержанной ОС? 2. Как зависит период колебаний релаксационного генератора от выходного сопротивления логических элементов и от входного сопротивления логических элементов? 55

3. Какие требования предъявляются к параметрам запускающего импульса в релаксационном одновибраторе? 4. Чем определяются время выдержки и время восстановления в ждущем генераторе? 5. Сколько ЛЭ надо замкнуть в кольцо, чтобы получить кольцевой генератор? Может ли работать кольцевой генератор на одном ЛЭ?

56

Список литературы Основной 1. Короткова Н.А. Электротехника, электроника и основы микроэлектроники. Текст лекций: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. 2. Осипов А.К. Базовые каскады электронных схем: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2009. 3. Осипов А.К. Цифровые интегральные схемы по курсу «Микроэлектронные схемы»: Текст лекций. М.: МИФИ, 1989. 4. Лабораторный практикум по курсу «Электронные схемы»: Учебное пособие/ Под ред. Т.М. Агаханяна. М.: МИФИ, 1988. Дополнительный 1. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1983. 2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. 3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. М.: Мир, 1982. 4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 2-х т. М.: Мир, 1984. 5. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. Постмаркет, 1999. 6. Агаханян Т.М., Никитаев В.Г. Электронные устройства в медицинских приборах: Учебное пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005.

57

Приложение Оформление лабораторных работ Лабораторная работа оформляется на отдельных листах, или в тетради на одной стороне листа (оборотная сторона листа используется для комментариев и объяснений при защите лабораторной работы). Оформленный для защиты работы отчѐт содержит: а) название лабораторной работы; б) схему исследуемого устройства со списком номиналов элементов схемы (если исследуется работа микросхемы, то приводится схема включения микросхемы); в) результаты измерений в соответствии с пунктами рабочего задания; г) заключение. При исследовании (измерении) какого-либо параметра схемы в отчѐте должно быть приведено определение этого параметра, зарисована схема измерения параметра, записаны номиналы элементов схемы, при которых производятся измерения, приведены формулы, по которым рассчитывается экспериментальное и теоретическое значения данного параметра. В заключении к отчѐту (или непосредственно по ходу работы) проводится сравнение экспериментальных и теоретических значений параметра и дается краткое теоретическое объяснение совпадения или несовпадения значений. Графики зависимостей и рисунки осциллограмм выполняются карандашом, причем на графиках обязательно указываются названия осей и масштаб, а на осциллограммах – чувствительность канала осциллографа, на которой снималась осциллограмма. В заключении объясняется ход графика зависимости, вид осциллограммы, приводятся значения параметров, полученных по осциллограммам. Примечание. В заключении к отчѐту нужно ответить на следующие вопросы: 1) какая схема изучалась (название, электрическая принципиальная схема, или если схема была нарисована раньше, то ссылка на номер рисунка в отчѐте); 58

2) какой параметр оценивали (определение параметра, схема измерения, или ссылка на номер рисунка в отчѐте, результаты измерения, формулы для расчѐта параметра по экспериментальным измерениям и теоретическая оценка величины параметра, если возможен расчѐт); 3) как экспериментальное значение соотносится с теоретическим (написать возможные причины несоответствия, если оно есть. Перечислить источники погрешности по степени влияния на результаты измерения.); 4) почему снятая зависимость носит именно такой характер (растѐт, уменьшается, не зависит) и дать краткое объяснение с физической точки зрения теории?

59

Наталия Александровна Короткова Алексей Константинович Осипов

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА: ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Лабораторный практикум

Редактор М.В. Макарова

Подписано в печать 12.08.2010. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 3,75 . Печ. л. 3,75 . Тираж 172 экз. Изд. № 088-1 Заказ № 263

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Типография НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31