Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника»



страница1/7
Дата31.07.2016
Размер0.9 Mb.
ТипМетодические указания
  1   2   3   4   5   6   7



ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ

И МИКРОСХЕМАТИКА
Методические указания

по выполнению лабораторных работ

для студентов направления 210100

«Электроника и наноэлектроника»

Составители: М. П. Маслаков, К. И. Фетисенко

Владикавказ 2012

Министерство образования и науки рф
Северо-Кавказский горно-металлургический институт

(государственный технологический университет)
Кафедра "Промышленная электроника"

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ

И МИКРОСХЕМАТИКА
Методические указания

по выполнению лабораторных работ

для студентов направления 210100

«Электроника и наноэлектроника»

Составители: М. П. Маслаков, К. И. Фетисенко
Допущено редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического
института
(государственного технологического

университета)

Владикавказ 2012

УДК 621.3.049.77

ББК 31.264.5

М31
Рецензент:

доктор технических наук, профессор Дедегкаев А. Г.



М31 Электронные цепи и микросхематика: Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника» / Сост. М. П. Маслаков, К. И. Фетисенко; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). –Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2012. – 99 с.

УДК 621.3.049.77

ББК 31.264.5

Редактор: Иванченко Н. К.

Компьютерная верстка: Цишук Т. С.
 Составление. Северо-Кавказский

горно-металлургический институт

(государственный технологический университет), 2012

 Маслаков М. П., Фетисенко К. И., составление, 2012

Подписано в печать 1.03.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 5,75. Тираж 40 экз. Заказ № .

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Издательство «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.



Содержание

Лабораторная работа №1. Электронный ключ на биполярном

транзисторе 4

Лабораторная работа №2. Мультивибраторы на логических

элементах 16

Лабораторная работа №3. Мультивибраторы на операционных

усилителях 32

Лабораторная работа №4. Фантастронный генератор 44

Лабораторная работа №5. Триггеры на логических элементах 51

Лабораторная работа №6. Элементарные каскады на полевых

транзисторах 68

Лабораторная работа №7. Элементарные усилительные

каскады на биполярных транзисторах 84

Лабораторная работа №1

ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ



Цель работы: изучение схемы и определение основных параметров электронного ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

Основные теоретические положения

Электронные ключи выполняют функцию коммутации электрических цепей и являются неотъемлемой частью электрических схем многих импульсных устройств. Основу любого ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Под ключевым режимом работы активного элемента понимают такие условия, когда в установившемся режиме он работает в области отсечки или насыщения, а в активной области активный элемент находится только во время переходных процессов.

На рис. 1.1а приведена электрическая схема, а на рис. 1.1б − временные диаграммы выходного напряжения и тока электронного ключа с идеальным активным элементом, работающим в ключевом режиме. Сопротивление такого активного элемента в режиме отсечки равно бесконечности, в режиме насыщения – нулю, а время переключения из режима отсечки в режим насыщения (1) и время переключения из режима насыщения в режим отсечки (2) равно нулю. На схеме такой активный элемент изображен в виде коммутатора К, замыкающегося или размыкающегося по сигналу управления, поступающего в входную цепь электронного ключа (на схеме не показана).Как следует из рис.1а при разомкнутом коммутаторе Кi = 0, = E, при замкнутом коммутаторе Кi =, = 0.

В электронных ключах с реальным активным элементом уровни выходного напряжения и тока, соответствующие состояниям коммутатора К "включено" и "выключено", зависят от типа используемого активного элемента. Переключение активного элемента из режима отсечки в режим насыщения и обратно происходит не мгновенно, а в течение определенного интервала времени, длительность которого определяется величиной паразитной емкости и индуктивности выходной цепи ключа и инерционностью самого активного элемента. При этом качество ключа определяется следующими параметрами:

− падением напряжения на активном элементе ключа в режиме насыщения (замкнутое состояние коммутатора К) U3;

− током через активный элемент, находящийся в режиме отсечки (разомкнутое состояние коммутатора К) Ip;

− временем переключения электронного ключа из состояния "выключено" в состояние "включено" и обратно tпер1 и tпер2 соответственно;

− потерями мощности в активном элементе ключа Рa ;


c:\users\денис\documents\методичка\рис 1.bmp

Рис. 1.1.

На рис. 1.2а представлена схема замещения реального ключа, быстродействие которого ограничено выходной емкостью Свых активного элемента. На рис.1.2б представлены временные диаграммы выходного напряжения и тока, такого ключа.

Следует обратить внимание на то, что состояние "включено" ключа соответствует замкнутому состоянию коммутатора К (активный элемент находится в режиме насыщения), а состояние "выключено" соответствует разомкнутому состоянию коммутатора К (активный элемент находится в режиме отсечки). При этом состояние "включено" характеризуется низким уровнем выходного напряжения, а состояние "выключено" – высоким уровнем выходного напряжения ключа. Такая схема замещения реального ключа характерна для инвертирующих ключей, к которым относится и электронный ключ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, исследованию которого посвящена лабораторная работа.
c:\users\денис\documents\методичка\рис 2.bmp

Рис. 1.2.

Как следует из схемы замещения ключа рис. 1.2а, напряжение


,

ток


.
На практике всегда должно выполняться условие Rз « R « Rp. При этом Uз « E, а Ip «. Для идеального ключа на рис.1.1а

Uз = 0, Rз = 0, Ip = 0, Rp = .

Найдем время переключения ключа на рис. 1.2а из состояния "выключено" в состояние "включено" и время переключения ключа из состояния "включено" в состояние "выключено" (), положив, что постоянные 1 и 2 равны соответственно R3Cвых и R3Cвых. Откуда



(1.1)
(1.2)
Так как Rз « R, то « , что всегда выполняется для схем реальных ключей.

На рис. 1.3 изображена схема электронного ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Эта схема обладает высоким значением коэффициента усиления по мощности и в различных схемотехнических вариантах наиболее широко распространена в современной электронной технике. Резистор R1 обеспечивает требуемое значение отпирающего тока базы . Цепочка резистор R2 , источник запирающего смещения Uсм обеспечивает быстрое запирание и режим глубокой отсечки запертого транзистора VD1.



c:\users\денис\documents\методичка\рис 3.bmp

Рис. 1.3.
Рассмотрим статический режим работы ключа. Для чего воспользуемся схемами замещения ключа в режимах отсечки (рис. 1.4а) и насыщения (рис. 1.4б). При составлении этих схем учтено, что обратный ток эмиттерного перехода Iэо не превышает 10 % от значения тока Ikо, а напряжение на коллекторе насыщенного транзистора Uк.н.  0. Это дает право считать цепь эмиттерного вывода разорванной для режима отсечки, а в режиме насыщения принять падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера равным нулю. Напряжение базы насыщенного транзистора Uб.н равно (0,30,4) В для германиевых и (0,751,0) В для кремниевых транзисторов.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 4.bmp

Рис. 1.4.
В статическом режиме должны выполняться: условие насыщения

, (1.3)

и условие отсечки



. (1.4)
Эти условия получены согласно первому и второму законам Кирхгофа для входной цепи схемы (рис. 1.3) после замены транзистора VD1 эквивалентными схемами для режимов насыщения и отсечки, соответственно. Здесь − степень насыщения транзистора VD1. Обычно N принимают равной (2÷4); − граничное значение тока базы; В – статический коэффициент передачи тока базы в режиме большого сигнала; т – температурный потенциал, равный при температуре 20°С – 25 мВ; Ikо – обратный ток коллекторного перехода транзистора VD1; Uвхm − амплитуда прямоугольного входного импульса отпирающей полярности. Величину напряжения Uсм обычно принимают равной (13) В.

Совместное решение уравнений (1.3) и (1.4) позволяет определить значения сопротивлений резисторов R1 , R2 при заданном значении N и Rk.

При определении времени переключения ключа следует руководствоваться следующими соображениями. Если постоянная коллектора транзистора

,
где – граничная частота транзистора VD1, больше или соизмерима с постоянной , то при расчете времени переключения следует пользоваться выражениями, полученными из решения уравнения заряда базы транзистора для интервалов переключения из режима отсечки в режим насыщения и обратно. Если постоянная существенно меньше постоянной , то для расчета времени переключения следует пользоваться выражениями, полученными для реального ключа с безинерционным коммутатором К (рис. 1.3а). При этом

=
Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора для германиевых транзисторов обычно равно (0,10,2) В, для кремниевых транзисторов (0,40,5) В. Ток коллектора насыщенного транзистора
.

Решение уравнения заряда базы для транзистора, отпирающегося током при условии, что на интервале рассасывания избыточного заряда в базе ток базы равен , дает следующие выражения для длительности фронта () и среза () напряжения на коллекторе транзистора, работающего в режиме переключения:





Здесь = – постоянная базы транзистора VD1.





Необходимо также учитывать расширение выходного импульса ключа из-за появления интервала рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистора VD1. Длительность интервала может быть определена по формуле:

Выражение (9) справедливо, если длительность насыщенного состояния транзистора VD1, обеспечиваемого током базы, существенно больше постоянной . Если соизмерима или меньше, то следует пользоваться формулой:

Постоянная цепи базы насыщенного транзистора у бездрейфовых транзисторов равна (0,60,8), а у дрейфовых транзисторов . Однако при оценочном расчете интервала можно положить, что

Для уменьшения времени переключения транзистора VD1 резистор R1 шунтируют конденсатором . На рис. 1.3 конденсатор изображен пунктиром. Заряд и разряд этого конденсатора током базы обеспечивает увеличением этого тока при формировании фронта, на интервале рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе и при формировании среза коллекторного напряжения транзистора VD1 электронного ключа. Согласно этому быстрее происходит нарастание и рассасывание заряда в базе, а, следовательно, уменьшаются значения , и . Для случая, когда длительность входного импульса отпирающего транзистора VD1 (этот случай наиболее часто встречается на практике), величина емкости конденсатора может быть определена по формуле:


1.1. Описание лабораторного макета

Лабораторный макет представляет собой схему электронного ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 1.5). Транзистор VD1 установлен в панельке с пружинными контактами, что позволяет использовать в схеме ключа транзисторы любых серий согласно указаниям преподавателя. Резистор R1 выполнен в виде двух секций и . Секция может закорачиваться с помощью тумблера . Тумблер вводит в цепь базы источник постоянного запирающего смещения В (положение 2). В положении 1 этого тумблера в цепи базы источника запирающего напряжения нет (Uсм = 0). Для исследования влияния емкости Ссм на форму выходного напряжения ключа используется магазин конденсаторов С1,…, С5, который подключается к коллектору транзистора VD1 с помощью многопозиционного переключателя Sз. В нулевом положении переключателя ни один из конденсаторов не подключен к коллектору. Тумблер Sн предназначен для подключения форсирующего конденсатора Сф параллельно резистору R1. Напряжение Ек источника питания с напряжением 5 В подается на гнезда +Ек и ОШ.



c:\users\денис\documents\методичка\рис 5.bmp

Рис. 1.5.

1.2. Расчетное задание
1. Для указанного преподавателем типа транзистора VD1 рассчитать значения постоянной коллектора к и базы .

2. Найти значение тока коллектора насыщенного транзистора , сопротивление между выводами коллектора и эмиттера насыщенного транзистора VD1 и величину N для обоих положений тумблера .

3. Для всех значений емкостей магазина конденсаторов определить величину постоянных и и сравнить полученные значения с величиной постоянной .

4. Рассчитать значения токов базы и (см. (1.7) и (1.8)) и, подставив эти значения в (1.5) и (1.6), найти длительность фронта и среза коллекторного напряжения и .

5. Рассчитать длительность интервала рассасывания неосновных носителей в базе транзистора VD1 по формуле (1.9) или (1.10). При этом значение постоянной положить равным . Величина указывается преподавателем.

6. По формуле (1.11) рассчитать величину емкости форсирующего конденсатора.


1.3. Лабораторное задание

1. Подключить источник питания с напряжением 5В к гнездам + и ОШ.

2. Подключить к входным клеммам генератор импульсов, предварительно установив на его шкалах частоту следования, амплитуду и длительность выходного импульса согласно указаниям преподавателя.

3. Для 0 (нулевое положение переключателя ) определить длительность фронта , среза и интервала рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистора . Измерение указанных временных интервалов проводится с помощью двухлучевого осциллографа с калиброванной шкалой горизонтальной развертки. На один вход осциллографа подается входное напряжение ключа, второй вход подключается к коллектору транзистора VD1 . Сравнить полученные экспериментально значения для , , , с значениями , , , полученными расчетным путем в п. 4 и 5.

4. Снять зависимость времени переключения от величины емкости , полагая что ее значения равны емкостям конденсаторов . Результаты измерений занести в табл. 1. Сравнить полученные значения с значениями полученными расчетным путем по формуле (1.2).

Таблица 1.1





C1

C2

C3

C4

C5



































5. Выяснить влияние степени насыщения транзистора VD1 N на длительность интервалов tф, tc,. Для чего измерить эти интервалы при разомкнутом, а затем при замкнутом тумблере . Сравнить полученные значения, сделать выводы.

6. Выяснить влияние источника Uсм на длительность интервалов tф, tc, . Для чего измерить эти интервалы при. Сравнить полученные значения, сделать выводы.

7. Выяснить влияние форсирующего конденсатора на длительность интервалов tф, tc, . Для чего измерить эти интервалы при отключенном и подключенном параллельно конденсаторе . Сравнить полученные значения, сделать выводы. При выполнении п.п. 5.5, 5.6 и 5.7 тумблер должен быть в нулевом положении.


Каталог: Portals
Portals -> Правила оформления тезисов докладов и статьей Текст и рисунки должны быть черно-белыми!!! Статья и тезисы доклада должны быть предоставлены в двух форматах ms
Portals -> Ю. С. Андрианов (Россия, Йошкар-Ола)
Portals -> Программа шестой международной научной школы «наука и инновации 2011»
Portals -> Возраст: 22 года Семейное положение
Portals -> Программные продукты, полученные в 2015 году
Portals -> Методические указания к лабораторным работам (на стенде тмж-2) Для студентов направления 270800 "Строительство"


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница