Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Электроники

 

 

 

ЭЛЕКТРОНИКА

Полупроводниковые приборы и аналоговые устройства

 Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения специальности

5В070200 – Автоматизация и управление

 

 

 

 

Алматы 2010 

СОСТАВИТЕЛИ: Т.М. Жолшараева, У.К. Дегембаева. Электроника. Полупроводниковые приборы и аналоговые устройства. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление – Алматы: АУЭС, 2011. – 30 с.

  

Методические указания содержат задания к лабораторным работам: схемы исследования выпрямительных диодов и стабилитронов, биполярного транзистора, инвертирующих и неинвертирующих усилителей, аналогового компаратора и мультивибратора на операционных усилителях. В них приведены описания каждой лабораторной работы, методика их выполнения и контрольные вопросы. Приведен перечень рекомендуемой литературы.

         Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов, обучающихся по специальности 5В070200 – Автоматизация и управление.

Ил.10, табл.15, библиогр. – 17 назв.

  

Рецензент: канд. техн. наук, профессор Б.Д. Хисаров

  

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2010 г.

 

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

Содержание

Введение                                                                                                                     4

1 Лабораторная работа. Исследование статических характеристик полупроводниковых диодов - выпрямительного и стабилитрона........................................................ 5

2 Лабораторная работа. Исследование статических характеристик биполярного транзистора                                                                                       10

3 Лабораторная работа. Исследование инвертирующего усилителя                 14

4 Лабораторная работа. Исследование неинвертирующего усилителя             18

5 Лабораторная работа. Исследование работы аналогового компаратора        22

6 Лабораторная работа. Исследование автоколебательного

мультивибратора                                                                                             26

Список литературы                                                                                                 29

 

Введение

Данные методические указания посвящены выполнению лабораторных работ первой части курса электроники «Полупроводниковые приборы и аналоговые устройства» и ознакомлению студентов с работой полупроводниковых приборов и простейших электронных схем на дискретных приборах и интегральных микросхемах.

Рассматриваются лабораторные работы по исследованию характеристик выпрямительного диода и стабилитрона, биполярного транзистора, инвертирующего и неинвертирующего усилителей, работы аналогового компаратора и автоколебательного мультивибратора.

Основная цель лабораторных работ – закрепление теоретических знаний и приобретение навыков работы с физическими приборами. Выполнение лабораторной работы состоит из трех этапов: выполнения предварительного задания, рабочего и расчётного задания, подготовки отчёта и защиты проделанной работы.

Предварительное задание состоит из проработки теоретического материала по данной теме и подготовки ответов на контрольные вопросы.

Рабочее задание предусматривает исследование характеристик и изучение работы конкретных электронных приборов и устройств.

Отчёт по проделанной работе должен содержать:

– цель и задание работы;

– справочные данные исследуемых приборов и микросхем;

– принципиальную схему по ГОСТу;

– таблицы;

– графики;

– необходимые расчеты;

– выводы по проделанной работе.

Выполненная работа и оформленный отчёт защищаются у преподавателя.

 

1 Лабораторная работа. Исследование статических характеристик полупроводниковых диодов - выпрямительного и стабилитрона

 

Цель работы

– снятие и анализ вольтамперных характеристик  выпрямительного диода и стабилитрона, расчёт статических параметров приборов;

– приобретение навыков работы с диодами и аппаратурой, используемой при исследовании характеристик и измерении параметров приборов.

– приобретение навыков работы со справочной литературой по полупроводниковым диодам.

 

1.1 Предварительная подготовка

 

1.1.1 Предварительно, до выполнения лабораторной работы изучить по рекомендованной литературе теоретические сведения по выпрямительным диодам и стабилитронам.

1.1.2 Изучить задание на лабораторную работу и методические указания к нему.

1.1.3 По справочнику записать паспортные данные и перерисовать характеристики исследуемых типов диодов (типы диодов указываются преподавателем).

 

1.2 Используемые приборы и элементы:

 

– центральный процессор РU–2000;

– печатная плата ЕВ–121;

– цифровой универсальный прибор;

– осциллограф.

 

1.3 Рабочее задание

 

1.3.1 Снять и построить вольтамперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода.

1.2 Снять и построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона.

1.3.3 Исследовать влияние нагрузки Rн  на напряжении стабилизации.

1.3.4 Снять временные характеристики Uвх(t) и Uвых(t) однополупериодного выпрямителя при подаче на диод напряжения синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы.

1.3.5 По начальному участку обратной ветви вольтамперной  характеристики полупроводникового диода определить ток насыщения диода.

1.3.6 По обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона определить напряжение начала лавинного пробоя (напряжение стабилизации).

 

1.4 Методические указания к выполнению работы

 

1.4.1 Вставить печатную плату ЕВ–121 в систему PU–2000.

1.4.2 К п.1.4.1. Собрать схему по рисунку 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1

 

Снять прямую ветвь ВАХ диода Iд=f(Uд).

Результаты измерений записать в таблицу 1

 

Т а б л и ц а 1

UPS-1, B

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

U, B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I, mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4.3 К п.1.4.1. Собрать схему по рисунку 1.2. Снять обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. Результаты измерений записать в таблицу 2

 

Т а б л и ц а 1

U PS-2, B

–1

–2

–3

–4

–5

–6

–7

–8

–9

–10

U, B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I, mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2

 

Построить ВАХ диода. Прямую и обратную ветвь диода строить на одном графике (можно использовать разные масштабы токов).

1.4.4 К п. 1.4.2.  Собрать схему по рисунку 3. Снять обратную ветвь ВАХ стабилитрона Iст=f(Uст) и результаты измерений записать в таблицу 3

 

Т а б л и ц а 3

Uвх , В

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Uст., В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iст., мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3

   

По результатам измерений построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона Iст.=f(Uст.).

К пункту 1.4.3 Для исследования влияния нагрузки Rн на напряжение стабилизации снять зависимость Uст.=f(Uвх.)  для разных значений Rн, которое представляет собой  последовательное соединение R1 и RV2 и замеряется с помощью омметра при отсоединённой схеме стабилитрона. Изменением сопротивления потенциометра RV2  последовательно  выставлять 5 значений Rн (800 Ом, 500 Ом, 200 Ом и 100 Ом) и результаты измерений записать в таблицу 4

 

Т а б л и ц а 4

Uвх , В

5

6

7

8

9

10

Uст (при Rн =800 Ом), В

 

 

 

 

 

 

Uст (при Rн =500 Ом), В

 

 

 

 

 

 

Uст (при Rн =200 Ом), В

 

 

 

 

 

 

Uст (при Rн =100 Ом), В

 

 

 

 

 

 

Kст. (%)

 

 

 

 

 

 

 

По результатам измерений построить графики зависимостей Uст.=f(Uвх.)½Rн. 

 К пункту 1.4.4. Собрать схему по рисунку 4. Подсоединить генератор сигналов на вход схемы. Установить амплитуду на входе схемы 2 В частотой 200 Гц. Осциллограф подключить  на выход схемы к R3.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4

 

Последовательно подавать на вход выпрямителя синусоидальный, треугольный и прямоугольный сигналы. Зарисовать и сравнить осциллограммы входных и выходных напряжений.

Изменить частоту входного сигнала на f=100 кГц и сравнить с Uвых. при f=200 Гц. Обратить внимание на искажение формы высокочастотного сигнала при прохождении через низкочастотный диод.

 

1.5 Расчётное задание

 

1.5.1 По снятой ВАХ диода определить обратный ток насыщения – Iдо и из какого материала изготовлен диод.

1.5.2  Вычислить значение тока Iстаб.

Iстаб.=(Uвх. – Uстаб)./R6

где R6=150 Ом.

1.5.3 Рассчитать дифференциальное сопротивление стабилитрона Rст.

1.5.4 Определить динамическое сопротивление диода Rд при U1=0.5 B и U2=0.65B.

Rдин. =(U2– U1)/(I2 – I1).

Значения U1 и U2, I1 и I2 выбираются из экспериментальной таблицы.

1.5.5 Вычислить коэффициент стабилизации Кст. стабилитрона и температурный потенциал jД  выпрямительного диода

 

Kст.= ;

.

1.6 Требования к оформлению отчёта

 

Отчёт должен содержать:

1) Принципиальные схемы исследования характеристик приборов, выполненные по ГОСТу;

2) Таблицы экспериментальных данных и результаты расчёта;

3) Осциллограммы и графики токов и напряжений;

4) Выводы:

а) о влиянии прямого и обратного включения приборов на

их работу и вид вольтамперных характеристик;

б) об изменении формы выходного напряжения при подаче на вход синусоидальных, треугольных и прямоугольных сигналов на высокой частоте при прохождении через низкочастотный выпрямительный диод.

в) сопоставить экспериментальные данные с результатами теоретического анализа.

 

Контрольные вопросы

 

1 Что такое собственная и примесная проводимости?

2 Как зависит положение уровня Ферми от концентрации примесей в примесных полупроводниках?

3 Что такое емкость p-n перехода и как она зависит от приложенного напряжения?

4 Объяснить разницу вольтамперных характеристик p-n перехода и полупроводникового диода.

5 Чем отличаются вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диодов?

6 Как влияет температура окружающей среды на вольтамперные характеристики диодов?

7 При каких условиях возникает тепловой пробой?

8 Чем определяется максимально допустимое обратное напряжение диода?

9 От чего зависит напряжение лавинного пробоя?

10 Как объяснить выпрямительные свойства p-n перехода?

11 Какие требования предъявляются к невыпрямляющему (омическому) контакту?

12 Как зависит ширина p-n перехода от приложенного напряжения?

13 Нарисовать эквивалентную схему диода.

14 Какие участки вольтамперных характеристик стабилитрона и стабистора являются рабочими?

15 Как включаются в схему стабилитрон и стабистор?

16 Объясните характер температурной зависимости электрической проводимости для чистого и примесного полупроводников.

2 Лабораторная работа. Исследование статических характеристик биполярного транзистора

 

Цель работы

 

– изучение принципа действия, схем включения, статических характеристик и параметров транзистора;

– приобретение практических навыков работы с биполярными транзисторами и аппаратурой, используемой при исследовании характеристик и измерении их параметров;.

– приобретение навыков работы со справочной литературой по транзисторам.

 

2.1 Предварительная  подготовка

 

2.1.1 Предварительно по рекомендованной литературе изучить теоретические сведения по биполярным транзисторам.

2.1.2 Изучить задание на лабораторную работу и методические указания к ней.

2.1.3. По справочнику записать паспортные данные, схему расположения выводов и перерисовать характеристики исследуемых транзисторов (тип транзистора указывается преподавателем).

 

2.2 Используемые приборы и элементы:

 

– центральный процессор РU–2000;

– печатная плата ЕВ–111;

– цифровой универсальный прибор.

 

2.3 Рабочее задание

 

2.3.1 Снять семейство статических входных характеристик транзистора для схемы с ОЭ  IБ=f(UБЭ)½Uкэ.

2.3.2 Снять семейство статических выходных характеристик транзистора для схемы с ОЭ  IК=f(UКЭ)½Iб.

2.3.3 Снять семейство статических характеристик прямой передачи по току транзистора с ОЭ IК=f(IБ)½Uкэ.

2.3.4 Определить на выходных характеристиках области: насыщения, отсечки и активного режимов работы транзистора.

  

2.4 Методические указания к выполнению работы

 

2.4.1 К п. 2.4.1 Собрать схему исследования характеристик по рисунку 5

 

Рисунок 5

Входные характеристики снимаются для постоянных значений коллекторного напряжения UК1 = 0 и UК2 = 5В. Выставить на PS–1 UК1 = 0. Изменяя UБЭ с помощью R1, которое измеряется вольтметром V1, снять значения токов IБ  по амперметру А1. Амперметр А2 закоротить. Повторить измерения для UК2= 5В. Результаты измерений записать в таблицу 5 и построить обе характеристики на одном графике.

 

Т а б л и ц а 5

 

UБЭ,В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IБ, mA

UКЭ=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UКЭ=5В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.2 К пункту 2.4.2 Вольтметр V1 отсоединить. Выходные характеристики снять для следующих фиксированных значений базового тока IБ=0; 50мкА; 75мкА; 100мкА, которые измеряются  амперметром А1. Результаты измерений записать в таблицу 6 и построить графики.

 

Т а б л и ц а 6

 

UКЭ, B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IК

при IБ=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при IБ=50мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при IБ=75мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при IБ=100мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.3 К п. 2.4.3 Для снятия характеристик прямой передачи тока транзистора в схеме отключить вольтметр V1, на вольтметре V2 с помощью PS–1 установить UКЭ = 0В. Изменяя с помощью R1 ток базы IБ, измеренный амперметром А1, снять показания амперметра А2 – тока коллектора IK. Повторить измерения для UКЭ = 5В. Результаты измерений записать в таблицу 7 и построить графики.

 

Т а б л и ц а 7

 

IБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IК

При UКЭ=0В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При UКЭ=5В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5. Расчетное задание

 

2.5.1. По полученным характеристикам для заданной рабочей точки (задается преподавателем) определить h-параметры.

2.5.2. Вычислить физические параметры Т-образной эквивалентной схемы по h-параметрам.

2.5.3. По семействам выходных характеристик определить усиление по току β.

 

2.6 Требования к оформлению отчёта

 

Отчёт должен содержать:

1) Принципиальные схемы исследования характеристик транзисторов, выполненные по ГОСТу.

2) Таблицы экспериментальных данных и результаты расчёта.

3) Графики характеристик транзисторов.        

4) В конце отчёта сделать выводы по проделанной работе. Сопоставить экспериментальные данные с результатами теоретического анализа по физическим параметрам и статическим характеристикам.

 

Контрольные вопросы

 

1 Расскажите о прямом и обратном включении р-n перехода.

2 Нарисуйте структурную схему и условное обозначение транзисторов типа p-n-p и –n-p-n.

3 Объясните принцип действия биполярного транзистора. Какие физические процессы происходят в транзисторе?

4 Схемы включения транзисторов: ОЭ, ОБ, ОК. Их сравнительная характеристика по коэффициентам усиления тока, напряжения, Rвх., Rвых.

5 Статические характеристики транзисторов по схеме: ОБ, ОЭ (входная, выходная, прямой передачи по току, обратной связи по напряжению).

6 Системы z, y, h-параметров. Недостатки системы z, y-параметров. Методы определения h-параметров.

7 Т-образные физические эквивалентные схемы транзистора. Связь параметров Т-образных эквивалентных схем (физических параметров) с h- параметрами.

8 Укажите напряжения, приложенные к p-n переходам на пологом  (UКЭ>UКЭ.Н) и крутом участках выходной характеристики.

9 Перечислите основные достоинства и недостатки схемы с ОБ.

10 Перечислите  основные достоинства и недостатки схемы с ОЭ.

11 Расскажите о модуляции толщины базы.

12 Почему схема с общим эмиттером получила наибольшее распространение?

 

3 Лабораторная работа  Исследование инвертирующего усилителя

 

Цель работы: исследование инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя (ОУ) с резистивной обратной связью (ОС).

 

3.1 Предварительная подготовка

3.1.1 Предварительно, до выполнения лабораторной работы, изучить по рекомендованной литературе теоретические сведения по операционным усилителям (ОУ), по ОУ с отрицательной обратной связью (ООС).    

3.1.2 Изучить задание к лабораторной работе и методические указания к ней.

3.1.3 По справочнику записать паспортные, схему расположения выводов интегральных схем ОУ.

 

3.2 Используемые приборы и элементы:

 

3.2.1 Центральный процессор РU–2000.

3.2.2 Печатная плата ЕВ–111.

3.2.3 Цифровой универсальный прибор.

3.2.4 Осциллограф.

 

3.3 Задание

 

3.3.1 Изучить схему инвертирующего усилителя (см. рисунок 6).

3.3.2 Измерить сопротивления R1 ÷ R4.

3.3.3 Снять и построить семейство передаточных характеристик инвертирующего усилителя для четырех сочетании значений: R1, R 2, R3, R4.

3.3.4 Измерить коэффициент усиления инвертирующего  усилителя для различных коэффициентов отрицательной обратной связи (различных сочетаний R2 – R1; R4 – R1; R2  - R3; R4 – R3). Рассчитать коэффициенты усиления по формуле kU= – Rос/R1 и сравнить их с экспериментальными данными.

3.3.5 Снять и построить амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя.

 

3.4 Методические указания к выполнению работы

 

3.4.1 Установить печатную плату ЕВ-121, отрегулировать напряжения 

PS -1 и PS -2 для получения ±12 В.

3.4.2 К пункту 3.4.2 измерить сопротивления цепей усилителя R1 ÷ R4.Для измерения сопротивлений отсоединить замкнутые провода перемычек

R1 ÷ R4 и записать результаты в таблицу 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6

Т а б л и ц а 8

 

Резистор

R1

R2

R3

R4

Измеренные значения R, кОм

 

 

 

 

 

3.4.3 к п.3.4.3. Собрать схему (см. рисунок 6), изменять Uвх. от –3В до +3В, и снимать значения Uвых в зависимости от Uвх. для сочетаний: R2 – R1 (поставить перемычки только «а» и «б»); R4 –R1 (поставить перемычки только «а» и «г») ; R2 – R3(поставить перемычки только «б» и «в»); R4 – R3(поставить перемычки только «в» и «г»). Перемычка «д» должна ставиться во всех опытах. Входное отрицательное напряжение подавать от источника PS–2, положительное от PS–1. Обратить внимание на полярность входных и выходных напряжений. Определить коэффициенты усиления КU., результаты записать в таблицу 9.

По данным таблицы 9 построить семейство передаточных характеристик Uвых=f(Uвх) для различных значений коэффициента отрицательной обратной связи.

3.4.4     К пункту 3.4.4. Отрегулировать входное напряжение (+) PS–I на напряжение в диапазоне 0,75–0,9 В, измерить Uвых. для  различных фиксированных коэффициентов отрицательной обратной связи. Сравнить коэффициенты усиления инвертирующего усилителя экспериментальные и теоретические. Результаты занести в таблицу 9.

 

 

Т а б л и ц а 9

 

Uвх, B

-3.0

-2.5

-2.0

-1.0

-0.1

0

0.1

1.0

2.0

2.5

3.0

Uвых, B

R2-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КU

R2-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 10

 

Пара сопротивлений обратной связи

Коэффициент усиления напряжений КU= - ROC/R1

Входное Uвх., В

 

Выходное Uвых., В

Коэффициент

усиления

 КU= - UВЫХ/UВХ

R2

R1

 

0.8

 

 

R4

R1

 

0.8

 

 

R2

R3

 

0.8

 

 

R4

R3

 

0.8

 

 

 

3.4.5     К пункту 3.4.5 Соединить вход усилителя с выходом генератора синусоидальных колебаний. Осциллограф подключить ко входу и выходу усилителя. Подать на вход усилителя 0,8 вольт и, меняя по всему диапазону частоту входного сигнала, снять значения Uвых, посчитать коэффициенты усиления и построить амплитудно-частотные характеристики инвертирующего усилителя по таблице 10. Сравнить амплитудно-частотные характеристики для разных значений обратных связей. Сделать выводы.

 

Т а б л и ц а 10

 

f, кГц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвых, B

R2-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КU

R2-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4-R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1 От чего зависит линейный режим работы ОУ?

2 Почему операционный усилитель редко используется в качестве усилителя сигналов при разомкнутой обратной связи (ОС), несмотря на большой коэффициент усиления?

3 В чём состоит различие между коэффициентами усиления при разомкнутой и замкнутой ОС?

4 Как влияет ОС на входное и выходное сопротивления ОУ?

5 Какой из усилителей обладает большим входным сопротивлением с Кос=100; Kос= 10?

          6 Чем ограничивается величина Rос сверху?

          7 Как выбирается R6?

         8 Назовите основные факторы, приводящие к появлению температурного дрейфа ОУ.

9  Объясните наличие нелинейного участка передаточной характеристики при больших UBX.

          10 Выведите формулу коэффициента усиления инвертирующего усилителя.

4 Лабораторная работа. Исследование неинвертирующего усилителя

 

Цель работы: исследование неинвертирующего усилителя на основе ОУ с резистивной обратной связью.

 

4.1 Предварительная подготовка

 

4.1.1 Предварительно, до выполнения лабораторной работы, изучить по рекомендованной литературе теоретические сведения по операционным усилителям (ОУ), использование ОУ с различными цепями отрицательной обратной связи (ООС).

4.1.2 Изучить задание на лабораторную работу и методические указания к ней.

4.1.3      По справочнику записать паспортные данные, схему расположения выводов интегральных схем ОУ.

 

4.2 Используемые приборы и элементы:

 

4.2.1 Центральный процессор РU–2000.

4.2.2 Печатная плата ЕВ–111.

4.2.3 Цифровой универсальный прибор.

4.2.4 Осциллограф.

 

4.3 Задание

 

4.3.1 Изучить схему неинвертирующего  усилителя (см. рисунок 7).

4.3.2 Измерить сопротивления R16 ÷ R19.

4.3.3 Снять и построить семейство передаточных характеристик инвертирующего  усилителя для четырех сочетаний значений: R16, R17, R18, R19.

4.3.4     Рассчитать коэффициенты усиления и сравнить их с экспериментальными данными.

4.4.5 Снять и построить амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя.

 

4.4 Методические указания к выполнению работы

 

4.4.1 Установить печатную плату ЕВ–121, отрегулировать напряжения PS – 1 и PS – 2 для получения ±12 В.

4.4.2 к пункту 4.4.2. Измерить сопротивления R16 ÷ R19  в усилителе. Для измерения сопротивлений отсоединить замкнутые провода перемычек R16 ÷ R19 (а,б,в,г). Для измерений использовать омметр. Записать результаты в таблицу 11.

Рисунок 7

Т а б л и ц а 11

 

Резистор

R16

R17

R18

R19

Измеренные значения R, кОм

 

 

 

 

 

4.4.3 К пункту 4.4.3. Изменять Uвх. от –3В до + 3В, снимать значения Uвых  в зависимости от Uвх. для сочетаний: R16 – R17 (поставить перемычки только «а» и «б»); R16 –R19 (поставить перемычки только «а» и «г») ; R17 – R18 (поставить перемычки только «б» и «в»); R18 – R19 (поставить перемычки только «в» и «г»). Входное отрицательное напряжение подавать от источника PS-2, положительное - от PS-1. Обратить внимание на полярность входных и выходных напряжений. Определить коэффициенты усиления КU., результаты записать в таблицу 4.2.

По данным таблицы 11 построить семейство передаточных характеристик Uвых=f(Uвх) для различных фиксированных значений коэффициента отрицательной обратной связи.

4.4.4 К пункту 4.3.4. Отрегулировать входное напряжение PS-I на напряжение в диапазоне (0,8 ÷ 1) В, измерить Uвых. для  различных коэффициентов отрицательной обратной связи. Сравнить коэффициенты усиления инвертирующего усилителя экспериментальные и теоретические. Результаты занести в таблицу 12

  

Т а б л и ц а 12

 

Uвх, B

–3.0

–2.5

–2.0

–1.0

–0.1

0

0.1

1.0

2.0

2.5

3.0

Uвых, B

R17–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R17–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КU

R17–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R17–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 13

 

Пара сопротивлений обратной связи

КU=ROC/R1

теоретический

Входное Uвх., В

Выходное Uвых., В

КU=

эксперимент.

R17

R16

 

 

 

 

R19

R16

 

 

 

 

R17

R18

 

 

 

 

R19

R18

 

 

 

 

 

4.4.5     К пункту 4.3.5. Соединить вход усилителя с выходом генератора синусоидальных колебаний. Осциллограф подключить ко входу и выходу усилителя. Подать на вход усилителя 0,8 вольт и, меняя по всему диапазону частоту входного сигнала, снять значения Uвых, посчитать коэффициенты усиления и построить амплитудно-частотные характеристики неинвертирующего усилителя по таблице 14. Сравнить амплитудно-частотные характеристики для разных значений обратных связей. Сделать выводы.

 

Т а б л и ц а 14

 

f, кГц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвых, B

R17–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R17–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КU

R17–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R17–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R19–R18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы

          1 Каково соотношение между входным сопротивлением неинвертирующего и инвертирующего усилителя?

          2 В каких случаях применяется повторитель напряжения?

          3 Что необходимо сделать со схемой неинвертирующего усилителя, чтобы превратить его в повторитель напряжения с коэффициентом усиления ?

          4 Почему повторитель напряжения является хорошим буферным каскадом?

          5 Выведите формулу коэффициента усиления неинвертирующего усилителя.

5 Лабораторная работа. Исследование работы аналогового компаратора

Цель работы: изучение работы аналогового компаратора.

 

5.1 Предварительная  подготовка.

 

5.1.1 Предварительно, до выполнения лабораторной работы, изучить по рекомендованной литературе схему компаратора и принцип его работы.

5.1.2 Изучить задание на лабораторную работу и методические указания к ней.

5.2.3 По справочнику записать паспортные данные и перерисовать характеристики ОУ LM741.

 

5.2 Используемые приборы и элементы:

 

5.2.1 Центральный процессор PU-2000.

5.2.2 Печатная плата EB-122.

5.2.3 Цифровой универсальный прибор.

5.2.4 Осциллограф.

5.2.5 Генератор сигналов.

 

5.3 Задание

 

5.3.1 Исследовать работу компаратора в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения синусоидальной формы.

5.3.1.1 Исследовать работу компаратора при подаче входного сигнала на инвертирующий вход, а опорного напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя.

5.3.1.2 Исследовать работу компаратора при подаче входного сигнала на неинвертирующий вход, а опорного напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя.

5.3.2 Исследовать работу компаратора в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения треугольной формы.

 

5.4 Методические указания к выполнению лабораторной работы

 

          5.4.1 Вставить печатную плату EB – 122 в систему PU– 2000. Компаратор на плате EB – 122 находится в левом верхнем углу.

          5.4.2 К п. 5.4.1.1. Собрать схему по рисунку 8. Поставить перемычки «а» и «б».

         5.4.3 Подключить PS-1 к вольтметру.

         5.4.4 Подключить к инвертирующему входу Vin компаратора выход генератора сигналов.

5.4.5 Подключить канал 1 осциллографа к входу и канал 2 к выходу компаратора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8

5.4.6 Включить стенд. Отрегулировать источник питания PS-1 на 2 вольта.

5.4.7 Ошибка! Ошибка связи. 5.4.8 Наблюдать изменение Uвых  при изменении опорного напряжения, снимаемого с PS-1 UОП от 0 с шагом 1 В до 5 В  при постоянном Uвх=2,5 В.

          5.4.8 Зарисовать сигналы Uвх и Uвых с экрана осциллографа.

          5.4.9 К п. 5.4.1.2. Собрать схему по рисунку 5.1. Поставить перемычки «в» и «г», разомкнув перемычки «а» и «г».

          5.4.10 Наблюдать изменение Uвых при изменении опорного напряжения, снимаемого с RV1 на инвертирующий вход ОУ от 0 с шагом 1 В до 5 В  при постоянном Uвх= 2,5 В. Зарисовать осциллограммы. Сделать выводы.

          5.4.11 К пункту 5.4.2 Отрегулировать генератор сигнала на последовательность треугольных импульсов амплитудой 4,7 В и частотой 1кГц. Установить смещение сигнала генератора на величину 0,3В до получения временной диаграммы, как на рисунке 9, на осциллографе при подключении выхода генератора к каналу I осциллографа.

Рисунок 9

Смещение сигнала на 0,3 В делается для того, чтобы минимизировать влияние смещения сравнивающего устройства и остаточного напряжения источника питания PS-1.

5.4.14 Подключить генератор сигнала к инвертирующему входу UВХ. операционного усилителя.

5.4.15 Подключить выход компаратора ко второму входу осциллографа.

5.4.16 Зарисовать сигналы Uвх и Uвых.

5.4.17 Изменять напряжение источника питания (PS-1) UОП от 0 с шагом 1 В до 5 В.

5.4.18 Отрегулировать источник питания PS-1 на 2 вольта.

5.4.19 Медленно изменять входные напряжение от 0 В до 5 В.   Наблюдать изменения осциллограммы на выходе. Сделать выводы.

 

         Контрольные вопросы

 

1 Для чего используется компаратор?

          2 Нарисуйте временные диаграммы Uвх+, Uвх¯, Uвых, если Uвх¯- синусоидальное напряжение, а Uвх+ - положительное постоянное напряжение (Uвхm+<Uвхm¯ ), источник питания ОУ двуполярный.

          3 Нарисуйте временные диаграммы Uвх+, Uвх¯, Uвых, где Uвх¯- постоянное отрицательное напряжение, Uвх+- синусоидальное напряжение, причем  |Uвх¯|< Uвх+ . Источник питания ОУ- двуполярный.

          4 От чего зависят параметры выходных импульсов компаратора?

          5 Можно ли использовать аналоговый компаратор в качестве амплитудного селектора?  

 

6 Лабораторная работа. Исследование автоколебательного мультивибратора

     Цель работы: изучение принципа действия мультивибратора, работающего в автоколебательном режиме.

 

6.1 Предварительная подготовка

 

6.1.1 Предварительно по рекомендованной литературе изучить теоретические сведения о мультивибраторе.

6.1.2 Изучить задание к лабораторной работе и методические указания к ней.

 

6.2 Используемые приборы и элементы

 

6.2.1 Печатная плата EB-122.

6.2.2 Центральный процессор PU-2000.

6.2.3 Осциллограф.

6.2.4 Цифровой универсальный прибор.

 

6.3 Задание

 

6.3.1 Собрать схему автоколебательного мультивибратора.

6.3.2 Измерить амплитуду UВЫХ, длительность tИ ВЫХ, период следования TВЫХ выходных импульсов. Зарисовать временные диаграммы импульсов на выходе UВЫХ  мультивибратора, на неинвертирующем входе UВХ.

6.3.3 Исследовать зависимость параметров выходных импульсов (ТВЫХ, UВЫХ, tИ ВЫХ ) от параметров времязадающей цепи.

6.3.4 Исследовать зависимость параметров выходных импульсов от значения R1 в цепи положительной обратной связи.

6.3.5 Рассчитать длительность импульсов tИ ВЫХ, период повторения ТВЫХ  и сравнить их с экспериментальными данными.

 

6.4 Методические указания к выполнению работы

 

6.4.1 К пункту 6.3.1. На плате EB-122 автоколебательный мультивибратор находится в правом верхнем углу. Собрать схему автоколебательного мультивибратора (см. рисунок 10).

 

 

Рисунок 10

 

 Взять R=R12=20кОм, R1= R13=47кОм.

К пункту 6.3.2. Подключить вход 1 осциллографа к выходу мультивибратора. Получить устойчивое изображение выходных прямоугольных импульсов на экране осциллографа. Измерить амплитуду UВЫХ, длительность tИ ВЫХ и период следования импульсов ТВЫХ. Результаты занести в таблицу 6.1 и зарисовать временную диаграмму UВЫХ. Переключая первый вход осциллографа к инвертирующему UВХ+ входу, подключив второй вход к неинвертирующему входу, зарисовать во временном соответствии UВХ¯ и UВХ+ .

6.4.2 К пункту 6.3.3 Повторить эксперимент, подключив: а) R=R11=100кОм, б) R= R11|| R12. Наблюдать зависимости tИ ВЫХ, TВЫХ и UВЫХ от значения R во времязадающей цепи. Результаты занести в таблицу 6.1. Сделать выводы.

6.4.3 К п. 6.3.4. Повторить эксперимент для случая R=R12=20кОм, R1=R14=100кОм. Наблюдать зависимости tИ ВЫХ, TВЫХ и UВЫХ от значения R1. Сделать выводы.

6.4.4 К п. 6.3.5. Рассчитать длительность импульсов tИ ВЫХ, период повторения TВЫХ мультивибратора, частоту следования f и свести их в таблицу 15 

 

Т а б л и ц а 15

 

Значение R

R12=20кОм

R11= =100кОм

R11||R12=

=17кОм

Период следования импульсов TВЫХ, мс

Измеренный

 

 

 

Расчетный

 

 

 

Длительность импульсов,   tИ ВЫХ, мс

Измеренная

 

 

 

Расчетная

 

 

 

Частота следования импульсов f, кГц

Расчетная

 

 

 

Амплитуда выходных импульсов UВЫХ, В

Измеренная

 

 

 

 

6.4.5 К пункту 6.3.5. Расчет длительности импульсов tИ ВЫХ, периода повторения ТВЫХ и частоты f произвести по формулам

tИ ВЫХ = τ ln(Uст – Uн)/ (Ucт – Uк) = τ ln(12 – U+)/ (12 - U‾)

где τ = RC4;

U+ = 5R10 / (R9 + R10) + 12R10/ (R10 + R1);

U‾ = 5R10 / (R9 + R10) - 12R10/ (R10 + R1);

TВЫХ =2 tИ ВЫХ;             f =1/TВЫХ;

R=R11 = 100кОм;         R=R12 = 20кОм;            R11‌‌ ‌ R12 = 17кОм;

С4 = 0,01мкФ;              R9 = 13,4кОм;               R10 = 17,5кОм;

R1 = R13 = 47кОм;        R1=R14=100кОм.

 
Контрольные вопросы

 

1 Что такое мультивибратор?

2 Где используется мультивибратор?

3 Какие элементы схемы мультивибратора определяют временные параметры его выходного сигнала?

4 Как можно регулировать частоту и скважность импульсной последовательности на выходе мультивибратора?

5 Выведите формулу длительности выходного импульса.

6 Чем определяется максимальная амплитуда выходного сигнала?

7 Покажите цепи заряда и разряда хронирующей емкости.

8 Почему емкость C4 называется хронирующей?

9 Объясните назначение резисторов R1, R9, R10.

10 Как изменится длительность импульса, если изменить R, R1, R10?

11 В каких режимах работает операционный усилитель во время формирования импульса и при переключении?

 

Список литературы 

1.      Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 704 с.

2.      Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника:  Учебник для вузов. Под ред. О.П.Глудкина. – М.: Горячая линия‑Телеком. 2005, – 768 с.

3.      Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.для вузов – М.: Высш. шк., 2006, – 800 с.

4.      Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник для вузов – Киев: Высща школа, 1989. – 424 с.

5.      Пейтон А.Дж, Волш.В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.: Бином, 1994. – 352 с.

6.      Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие /Под ред. С.В.Якубовского. – М.: Радио и связь, 1985. – 432 с.

7.      Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М.: Радио и связь, 2005. – 320 с.

8.      Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. – М.: Мир, 1985. – 572 с.

9.      Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. ‑3-е изд. – БИНОМ. Лаб.знаний, 2004. – 448 с.

10. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, Бином Пресс, 2006. – 416 с.

11.   Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Полупроводниковые приборы: Учебное пособие - Алматы: АИЭС, 2006. – 79 с.

12.   Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Интегральные микросхемы: Учебное пособие. Алматы: АИЭС, 2007. – 81 с.

13.   Жолшараева Т.М. Электроника: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2010.− 80 с.

14.   Т.М.Жолшараева. Электроника. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для студентов всех форм обучения специальности 050702 – Автоматизация и управление. – Алматы: АИЭС, 2008. –  22 с.

15.   Нефедов А.В. Транзисторы для бытовой, промышленной и специальной аппаратуры: Справочное пособие. – М.: Солон-Пресс, 2006. – 600 с.

16.   Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. /Под редакцией Б.Л.Перельмана. – М.: Радио и связь, 1982. – 656 с.

17.   Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. – М.: «СОЛОН», «МИКРОТЕХ», 1996. – 176 с.

Сводный план  2010 г., поз 203