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



страница2/7
Дата31.07.2016
Размер0.9 Mb.
ТипМетодические указания
1   2   3   4   5   6   7

Контрольные вопросы

1. Что такое ключевой режим работы транзистора?

2. Как определяются параметры транзистора и значения токов

3. Что такое степень насыщения транзистора N и как она влияет на форму выходного напряжения ключа?

4. В чем заключается сущность метода заряда, его достоинства и недостатки?

5. Как влияет величина выходной емкости ключа на форму выходного напряжения?

6. Как влияет величина напряжения смещения на форму выходного напряжения ключа?

7. Почему включение форсирующей емкости в схему ключа улучшает форму?



Литература

1. Батушев В. А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980.

2. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1973.

3. Гольденберг Л. М. Импульсные и цифровые устройства. М.: Связь, 1973.

4. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Сов. радио, 1980.

Лабораторная работа №2

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ



Цель работы: познакомить студентов с принципом формирования схем автоколебательных и ждущих мультивибраторов на логических элементах.
Основные теоретические положения
В тех случаях, когда мультивибратор должен работать в комплексе с цифровой аппаратурой на логических интегральных схемах (ЛОИС) и не предъявляет специальных требований к стабильности временных характеристик генерируемых импульсов, целесообразно для построения схемы мультивибратора использовать те же элементы, на которых построена цифровая часть комплекса. Это позволяет унифицировать элементную базу аппаратуры и обеспечивает естественное согласование амплитудных характеристик мультивибратора и сигналов цифровой части комплекса.

Рассмотрим принципы построения и основы анализа основного типа мультивибратора применительно к ТТЛ логическим элементам со сложным инвертором, реализующим в положительной логике функции И-НЕ.


2.1. Логические элементы со сложным инвертором

На рис. 2.1а приведена принципиальная схема, а на рис. 2.1б условные обозначения элемента И – НЕ со сложным инвертором.

Кусочно-линейная аппроксимация статической передаточной характеристики элемента И – НЕ ТТЛ со сложным инвертором приведена на рис. 2.2.

При низком напряжении хотя бы на одном входе за счет насыщения соответствующей n-р-n структуры многоэмиттерного транзистора на базе VT1 поддерживается низкое напряжение, недостаточное для его открывания. Транзисторы VT1 и VT2 закрыты, транзистор VT3 и диод VD1 открыты и обеспечивают на выходе высокий уровень напряжения (участок I) при малом выходном сопротивлении. При увеличении входного напряжения VT1 открывается, и рабочая точка смещается на участок II передаточной характеристики, наклон которого определяется отношением сопротивлений . Дальнейшее повышение входного напряжения приводит к открыванию VT2, при этом за счет роста усиления увеличивается крутизна наклона характеристики (участок III). После насыщения VT2 на выходе ЛЭ устанавливается практически постоянное напряжение (участок IV). При высоком напряжении на всех входах ЛЭ эмиттерные переходы много эмиттерного транзистора закрыты, и ток полностью переключен в базу VT1, который при этом оказывается в режиме насыщения. VT3 и VD1 закрыты, т.к. разности потенциалов между коллекторами VT1 и VT2 недостаточно для открывания двух последовательно включенных р-n переходов.

Увеличение нагрузочной способности схем со сложным инвертором обусловлено улучшением условий насыщения выходного транзистора VT2 за счет увеличения тока базы и уменьшения тока коллектора при формировании низкого уровня , а также уменьшения выходного сопротивления при формировании выходного уровня .

2.2. Построение схем ждущих мультивибраторов на логических интегральных схемах

Схему ждущего мультивибратора можно получить из схемы асинхронного RS-триггера, если заменить одну из непосредственных связей емкостной. Схема такого генератора приведена на рис. 2.3.

Исходный режим работы в данной схеме определяется параметрами резистора R1 и источником напряжения E. Диод VD служит для ограничения отрицательной полуволны входного напряжения, что исключает возможность пробоя эмиттерного перехода многоэмиттерного транзистора. Резистор R2 является элементом параллельного диодного ограничителя . Соответствующим образом, выбирая параметры R1 и E, можно строить мультивибраторы двух типов, отличающихся режимом работы логических элементов в исходном состоянии и, как следствие этого, полярностью запускающего импульса.
Мультивибраторы с убывающим хронирующим напряжением
Эти мультивибраторы имеют низкий уровень входного напряжения в начальном состоянии, при этом логический элемент ЛЭI находится в состоянии I (), а ЛЭ2 – в состоянии 0 (). Временные диаграммы работы такого мультивибратора приведены на рис. 2.4.

Переключение во временно устойчивое состояние происходит в момент времени t0 под действием отрицательного импульса l2 , который вызывает скачкообразное увеличение напряжений Uвых2, Uа, Uвх. Затем хронирующее напряжение , а также входное напряжение постоянно уменьшаются вследствие перезаряда конденсатора С. В момент времени , при котором петлевой коэффициент положительной обратной связи становится больше единицы, возникает регенеративный процесс, в результате которого ЛЭ1 и ЛЭ2 возвращаются в исходное состояние.

Процесс восстановления исходного напряжения на конденсаторе происходит в два этапа. На первом () ограничительный диод VD открыт, поэтому процесс восстановления сопровождается: уменьшением одного только напряжения . На втором этапе диод VD закрыт, поэтому изменяются одновременно и .

Оценить влияние R1 и E на режим работы ЛЭI можно с помощью входной (с учетом VD) передаточной характеристики ТТЛ элемента, которые приведены на рис. 2.5.

Для того, чтобы ЛЭI находился в состоянии I, рабочая точка должна находиться на участке 1−2, соответствующем отсечки транзистора VT1, рис.1. При этом входное сопротивление элемента определяется последовательно включенными эмиттерным переходом много эмиттерного транзистора и резистором в его базе. Полагая, что напряжение на переходе , входную характеристику на участке I−II можно описать равенством

, (2.1)

где – входной ток, измеренный при



– входное сопротивление;

– напряжение источника питания.

Независимо от состояния логического элемента ЛЭ1 его входной ток в стационарном состоянии удовлетворяет уравнению Кирхгофа



(2.2)

представленному на рис. 2.5 для различных значений параметров E, R1 прямыми I, II, III, причем первые две получены при E = 0 . Пересечение прямых с входной характеристикой определяет положение рабочей точки. Стационарное значение входного напряжения при единичном состоянии ЛЭI (прямая I) можно найти совместно решая уравнения (2.1) и (2.2) при E = 0 :



От положения точки 2, в которой происходит открывание инвертирующего транзистора VT1 (рис.2.1), зависит максимально допустимое значение R1 :



где − значение в точке 2.

Для типовых значений вх = 0,51,4 мА,

Приближенный расчет длительности выходного импульса основывается на предположении, что при эмиттерный переход многоэмиттерного транзистора закрыт, т.е.. Данное предположение позволяет представить цепь перезаряда конденсатора эквивалентной схемой, представленной на рис. 2.6.

Учитывая экспоненциальный характер переходного процесса в схеме, соотношение для длительности выходного импульса можно записать в виде:



(2.3)

где


Uвх() = 0



Uвх(t1) = Uпор = (1,41,5) В;

Uвх(t1) = Uвх.см1 + (UBUH)R1/(R1 + R2 + rвых)

rвых – выходное сопротивление ЛЭ в состоянии I, обусловленное в основном резистором R3 (рис.2.1).

Определим длительность интервала восстановления (интервал времени (t1t3). Из-за относительно малой длительности первого этапа восстановления при открытом диоде значением можно пренебречь. Учитывая, что в состоянии 0 выходное сопротивление ЛЭ2 практически равно нулю, а резистор R1 зашунтирован входным сопротивлением ЛЭI, длительность можно представить соотношением



= = C(R2 + R1//rвых)kвос. (2.4)

c:\users\денис\documents\методичка\рис 6.bmp

Рис.2.1.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 7.bmpc:\users\денис\documents\методичка\рис 8.bmp

Рис.2.2. Рис.2.3.
где kвос – коэффициент восстановления, обусловленный уровнем затухания kз экспоненциального процесса

kвос = −ln(1 − kз), kз = / U(t)/ Um.

Вследствие сравнительно низкой точности мультивибраторов на ЛОИС можно использовать заниженные значения коэффициентов затухания экспоненты /kз = 0,8/, при котором kвос = 1,6 Несмотря на это, длительность интервала восстановления для рассмотренной схемы сравнительно велика и обычно превышает длительность выходного импульса.

Сопротивление выбирают из условия насыщения выходного транзистора ЛЭ2 на начальном этапе восстановления. Минимальное значение R2 оценивается соотношением

R2min  (UBUHUпор0)/Iвых.max ,

где Iвых.max – максимальный ток на выходе ЛЭ2 в состоянии нуля; ℓ0 – порог отпирания диода VD.


Мультивибраторы с нарастающим хронирующим напряжением

Эти мультивибраторы имеют большое входное напряжение в начальном состоянии (Uвх.см > Uпор) при котором ЛЭI находится в состоянии 0 (Uвых.1 = UН), а ЛЭ2 в состоянии I (Uвых.2 = UB). Временные диаграммы работы такого мультивибратора приведены на рис. 2.7. Переключение во временно устойчивое состояние в момент происходит под действием отрицательного импульса , подаваемого на вход ЛЭI и вызывающего переключение логических элементов схемы. Вслед за уменьшением напряжений , начинается процесс перезаряда конденсатора, сопровождаемый увеличением хронирующего напряжения . На интервале ограничительный диод открыт, поэтому . В момент диод закрывается и на интервале одновременно изменяются и . В момент напряжение достигает значения , в результате чего ЛЭI и ЛЭ2 скачком возвращаются в исходное состояние. Процесс восстановления начального напряжения на конденсаторе протекает на интервале и сопровождается изменением напряжений и

Как видно из рис. 2.5, ЛЭI может находиться в состоянии 0 в двух случаях. В первом, имеющем место при Е = 0, прямая, описывающая уравнение (2.2), обозначена цифрой II. Требуемый режим обеспечивается при достаточно большом

При этом . Второй случай (прямая II) реализуется при E > , причем , т.к. мал.

Для определения длительности временно устойчивого состояния (длительность выходного импульса) закон изменения хронирующего напряжения можно вывести из эквивалентной схемы перезаряда конденсатора, рис. 2.8. Состояние ключа связано с режимом работы ограничительного диода. На первом этапе процесса релаксации замкнут, на втором разомкнут. Учитывая экспоненциальный характер переходного процесса на каждом этапе, длительность временно устойчивого состояния можно определить соотношением

(2.6)

где




= −0; Ua(t0) = UвUн;
= −0R2;
= ;
= UпорR2

c:\users\денис\documents\методичка\рис 9.bmp
Рис. 2.4.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 10.bmp

Рис. 2.5.
c:\users\денис\documents\методичка\рис 11.bmp

Рис. 2.6.

Первый этап отсутствует при



поскольку в данном случае . При этом длительность временно устойчивого состояния



(2.7)

Длительность интервала восстановления определяется экспоненциальным процессом заряда конденсатора через резисторы и выходное сопротивление ЛЭ2. При k = 0,8 . Как и в мультивибраторе с убывающим хронирующим напряжением.. Для уменьшения в схеме с резистор можно зашунтировать диодом, как это показано на рис. 2.3 штрихпунктирной линией.



3. Самовозбуждающиеся мультивибраторы

Возможный путь реализации самовозбуждающегося (симметричного) мультивибратора на ЛОИС состоит в замене обеих непосредственных связей RS-триггера емкостными. Однако жесткий режим возбуждения, характерный для симметричных устройств, большое число навесных деталей, а также трудность обеспечения условий восстановления напряжений на конденсаторах в течение одного полупериода колебаний ограничивают практическое использование таких мультивибраторов,

Свободным от указанных недостатков является несимметричный самовозбуждающийся мультивибратор, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.9.

Отличие рассматриваемой схемы от схемы ждущего мультивибратора состоит в том, что нижний вывод резистора подключается к выходу ЛЭI, в результате чего функцию напряжения начинает выполнять выходное напряжение ЛЭI. При выполнении условия R1 < R1max оба состояния мультивибратора временно устойчивые, поскольку при Uвых1 = Uн  0 схема на рис. 2.9 эквивалентна схеме с убывающим хронирующим напряжением, а при Uвых1 = Uн > Uпор схеме с нарастающим хронирующим напряжением.


c:\users\денис\documents\методичка\рис 12.bmp

Рис. 2.7.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 13.bmp

Рис. 2.8.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 14.bmp

Рис. 2.9.
Временные диаграммы, характеризующие работу несимметричного мультивибратора, работящего в автоколебательном режиме, приведены на рис. 2.10.
c:\users\денис\documents\методичка\рис 15.bmp

Рис. 2.10.
Для расчета длительностей 01 и 02 можно использовать соотношения (2.3) и (2.6), подставляя в первое из них;
Uвх(t0) = Uпор + (UвUн)R1/( R1 + R2 + rвых) (2.8)

и во второе



Uа(t0) = Uпор(UвUн). (2.9)
2.3.Описание лабораторного макета
Схема лабораторного макета представлена на рис. 2.11 (исследование ждущих мультивибраторов) и на рис. 2.12 (исследование самовозбуждающегося мультивибратора).

Ключи К1 и К2 (рис. 2.11) позволяют коммутировать как схему ждущего мультивибратора с нарастающим напряжением (ключ разомкнут, ключ замкнут, ключ К1 разомкнут), так и схему мультивибратора с убывающим хронирующим напряжением (ключ замкнут, ключ разомкнут, ключ К1 замкнут). С помощью трехпозиционного переключателя К3 можно изменять ступенчато значениепостоянной времязадающей цепи. Резистор R2 обеспечивает плавное изменение постоянной времени в заданном диапазоне значений.

Аналогично с помощью трехпозиционного ключа К4 (рис. 2.12) и резистора R2 обеспечивается изменение постоянной времени хромирующей цепи в схеме самовозбуждающегося мультивибратора.
c:\users\денис\documents\методичка\рис 16.bmp
Рис. 2.11.

2.4. Расчетное задание
1. Рассчитать длительность импульса , время восстановления , период колебаний и скважность , при различных значениях емкостей для схемы ждущего мультивибратора с убывающим хронирующим напряжением.

2. Рассчитать длительность импульса , время восстановления период колебаний и скважность при различных значениях емкостей для схемы ждущего мультивибратора с убывающим хронирующим напряжением.

3. Рассчитать частоту автоколебаний самовозбуждающегося мультивибратора для различных значений емкостей и


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