|
Рефераты Главная Биология Биржевое дело Ботаника и сельское хоз-во Политология Религия Социология Авиация и космонавтика История Кибернетика Рефераты по рекламе Рефераты по физике Биология и химия Языкознание филология Издательское дело иполиграфия Рефераты по краеведениюи этнографии Рефераты по экономике Рефераты по москвоведению Рефераты по экологии Рефераты по физкультуреи спорту Топики по английскомуязыку |
Учебное пособие: Исследование полупроводниковых приборовРабота №8 Исследование компараторов на основе операционного усилителя Цель работы Изучение различных схем компараторов и их характеристик. Теоретическая частьКомпаратором называется схема для сравнения двух напряжений. В зависимости от используемой элементной базы существуют аналоговые компараторы и цифровые. Аналоговые компараторы сравнивают величины напряжений порядка 1 – 15 В; цифровые компараторы сравнивают коды чисел. Аналоговые компараторы разделяются на 4 вида: 1) одновходовые без обратной связи; 2) двухвходовые без обратной связи; 3) триггер Шмитта; 4) двухвходовый с положительной обратной связью. 1. Одновходовый компаратор без обратной связи Схема компаратора приведена на рис.1.
Рис.1. Схема одновходового компаратора Входное напряжение Uвх и опорное Uоп подаются на один вход, поэтому знаки напряжений должны быть разными. Переключение компаратора произойдет тогда, когда входное напряжение сравняется по величине с опорным и превысит значение Uоп на порог срабатывания операционного усилителя: |Uвх| ≥ |Uоп|. Временные диаграммы работы компаратора приведены на рис.2.
Рис.2. Временные диаграммы работы одновходового компаратора До момента времени t1 (см. рис.2) состояние компаратора определяется опорным напряжением, которое подается на инвертирующий вход (см. рис.1). Для положительного значения Uоп на выходе получается отрицательное значение напряжения насыщения Uн¯. В момент времени t1 компаратор переключается из одного состояния насыщения в другое – Uн+.
При изменении опорного напряжения характеристика смещается вдоль оси Uвх влево или вправо в зависимости от полярности напряжения Uоп. Для Uоп = 0 получается амплитудная характеристика операционного усилителя. Временные диаграммы работы для положительного значения напряжения Uоп и периодического входного сигнала приведены на рис.4. Выходное напряжение имеет вид прямоугольных знакопеременных импульсов, имеющих длительность tи+ и tи–.
Рис.4. Временные диаграммы одновходового компаратора для периодического входного сигнала По осциллограмме выходного
напряжения определяются коэффициенты заполнения для положительного и
отрицательного импульсов: 2. Двухвходовый компаратор без обратной связи. Схема компаратора приведена на рис.5. В ней напряжения Uоп и Uвх подаются на разные входы, поэтому знаки сравниваемых напряжений должны быть одинаковыми. Для подключения опорного напряжения необходимо на плате соединить точки 15 и 11.
Рис.5. Схема двухвходового компаратора Временные диаграммы работы для нарастающего входного сигнала приведены на рис.6.
Рис.6. Временные диаграммы работы двухвходового компаратора До момента времени t1 состояние компаратора определяется неинвертирующим входом, так как на нем действует большее по величине напряжение. Как только напряжение на инвертирующем входе превысит значение Uоп на порог срабатывания компаратора, так напряжение на выходе скачком меняется из состояния Uн+ в состояние Uн–. Временные диаграммы для периодического входного сигнала и отрицательного значения Uоп приведены на рис.7.
Рис.7. Временные диаграммы работы двухвходового компаратора для периодического входного сигнала 3. Триггер Шмита. Триггером называется схема с двумя устойчивыми состояниями равновесия, которая под действием входного сигнала переключается из одного состояния равновесия в другое и обладает памятью. Существуют аналоговые триггеры и цифровые. Аналоговый триггер выполняется на операционном усилителе. При построении схем триггеров применяется положительная обратная связь. Схема триггера Шмитта приведена на рис.8.
Рис.8. Схема триггера Шмитта Резистор обратной связи соединяет точки 6 и 3. В схеме введена последовательная обратная связь по напряжению, так как напряжение обратной связи Uос пропорционально выходному напряжению и включено во входную цепь последовательно с входным сигналом. Для определения знака
обратной связи на вход задается сигнал любого знака, например, положительного.
В точке 6 сигнал инвертируется, поэтому на схеме показан отрицательный сигнал,
который передается на вход в точку 3, причем, Амплитудная характеристика триггера Шмитта приведена на рис.9. Если на выходе схемы появляется положительное напряжение Uн+, то такой же знак имеет напряжение обратной связи Uос. Для переключения операционного усилителя на инвертирующий вход необходимо подать положительное напряжение. Когда выполняется условие Uвх ≥ Uос, тогда компаратор переключается в другое состояние насыщения Uн¯. Для отрицательного выходного напряжения изменяется знак напряжения обратной связи на отрицательный. Чтобы переключить компаратор, необходимо на вход подать отрицательное напряжение, которое должно сравняться с напряжением обратной связи и превысить его на малую величину. В результате переключения усилителя под действием входного сигнала разной полярности получается релейная характеристика в виде петли гистерезиса (рис.9). Пока значение входного сигнала лежит в пределах петли, триггер сохраняет значение выходного сигнала. Это означает, что схема триггера обладает памятью. Значения напряжения Uос называются пороговыми Uпор.
Рис.9. Амплитудная характеристика триггера Шмитта 4. Двухвходовый компаратор с положительной обратной связью
Рис.10. Схема двухвходового компаратора с положительной обратной связью Схема компаратора приведена на рис.10. В ней включен источник опорного напряжения в цепь неинвертирующего входа, а входной сигнал – в цепь инвертирующего входа. В зависимости от полярности опорного напряжения петля амплитудной характеристики сдвигается от нуля влево или вправо. На рис.11 изображена амплитудная характеристика для Uоп >0.
Рис.11. Амплитудная характеристика двухвходового компаратора с положительной обратной связью Экспериментальная часть 1. Снятие амплитудной характеристики операционного усилителя. Снять амплитудную характеристику операционного усилителя для Uоп = 0. Для этого вертикальный вход осциллографа подключить к выходу усилителя, а горизонтальный вход – к инвертирующему входу. 2. Снятие амплитудной характеристики одновходового компаратора. Снять амплитудную характеристику одновходового компаратора для Uоп ≠ 0. Значение опорного напряжения взять из таблицы вариантов. 3. Снятие амплитудной характеристики триггера Шмита. Амплитудная характеристика триггера Шмитта снимается также как и амплитудная характеристика одновходового компаратора: вертикальный вход осциллографа подключается к выходу, а горизонтальный – к инвертирующему входу. 4. Снятие амплитудной характеристики двухвходового компаратора. Снять амплитудную характеристику двухвходового компаратора с положительной обратной связью для Uоп ≠ 0. Подключение осциллографа остается таким же как в п.3, а в цепь неинвертирующего входа подключается опорное напряжение. 5. Исследование работы компараторов от переменного входного сигнала. 5.1. Зарисовать осциллограммы напряжений uвх(t), Uоп(t), uвых(t) для Uоп ≠ 0. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов. 5.2. Зарисовать осциллограммы напряжений uвх(t), uвых(t) триггера Шмитта. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов. 5.3. Зарисовать осциллограммы напряжений uвх(t), Uоп(t), uвых(t) двухвходового компаратора с положительной обратной связью. Снять зависимость коэффициента заполнения γ± от опорного напряжения Uоп±. Контрольные вопросы 1. Что называется компаратором? 2. Зачем в схему компаратора включается опорное напряжение? 3. Зачем в компаратор включается положительная обратная связь? 4. В каких случаях применяется одновходовый компаратор? 5. Что такое амплитудная характеристика и как она выглядит для разных схем компараторов? 6. Как повысить помехоустойчивость триггера Шмитта? 7. Что такое коэффициент заполнения? Как изменяется коэффициент заполнения от опорного напряжения при синусоидальном входном сигнале в разных схемах компараторов? Таблица вариантов
Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят временные диаграммы uвх(t), uвых(t), uоп(t) для двухвходового компаратора; подвариант Б – временные диаграммы uвх(t), uвых(t), uпор(t) для триггера Шмитта; подвариант В – временные диаграммы uвх(t), uвых(t), uоп(t), uпор(t) для двухвходового компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Напряжение насыщения усилителя Uн± = 7 В. Работа № 9 Исследование биполярного транзистора Цель работы Изучение характеристик и параметров биполярного транзистора. Теоретическая часть В биполярном транзисторе два типа носителей заряда (электроны и дырки) участвуют в процессе протекания тока. Кроме того, транзистор содержит две цепи: входную и выходную. Входная цепь транзистора состоит из перехода эмиттер-база, который включается в прямом направлении, а выходная цепь состоит из перехода коллектор-база, который включается в обратном направлении. По типу основных носителей, которые перемещаются в структуре, различают транзисторы типа n-p-n и p-n-p. В транзисторе типа n-p-n основные носители – электроны, а в транзисторе типа p-n-p – дырки. По способу перемещения основных носителей через базу различают диффузионные и дрейфовые транзисторы. Дрейфовые транзисторы имеют более тонкую базу, в которой характер перемещения основных носителей – дрейфовый. В диффузионных транзисторах время перемещения основных носителей через базу больше чем в дрейфовых. Статические характеристики и параметры диффузионных и дрейфовых транзисторов одинаковые, а динамические параметры разные. Дрейфовые транзисторы относятся к высокочастотным полупроводниковым приборам и используются в интегральных схемах или в виде отдельных полупроводниковых приборов. Схема включения транзисторов в статическом режиме с общей базой приведена на рис.1. Стрелками на структуре показано перемещение электронов.
Рис.1. Схема включения с общей базой в статическом режиме Под действием прямого напряжения Uэ происходит диффузия электронов из эмиттера в базу. Потенциальный барьер перехода П1 не препятствует диффузии, т.к. его ослабляет внешнее напряжение. В базе происходит диффузионное перемещение электронов от перехода П1 к переходу П2, если рассматривается транзистор диффузионного типа. В процессе диффузионного перемещения происходит рекомбинация электронов и дырок. Если заполненные электронные связи получаются устойчивыми, то к переходу П2 подходят не все электроны, которые были инжектированы в базу из эмиттера. В результате актов рекомбинации база теряет электрическую нейтральность и приобретает избыточный отрицательный заряд. Между слоем базы и ее выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны, в результате чего появляется ток базы. Основная масса электронов подходит к коллекторному переходу П2 и под действием напряжения Uк дрейфует в коллектор. Слой коллектора приобретает избыточный отрицательный заряд, поэтому между слоем коллектора и его выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны. По аналогии с цепью коллектора в цепи эмиттера протекает ток, вызванный избыточным положительным зарядом эмиттера. Таким образом, протекание токов в цепях эмиттера, базы и коллектора связано с поддержанием электрической нейтральности слоев транзистора. Для взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов необходимо, чтобы слой базы был достаточно тонким, например, для диффузионного транзистора ширина базы составляет десятки мкм. Передача тока из эмиттерной цепи в коллекторную определяется коэффициентом α. Различают статический коэффициент передачи тока эмиттера и дифференциальный:
На линейных участках характеристик транзистора статический и дифференциальный коэффициент передачи одинаковы, поэтому для линейного режима работы используется одно значение α. Из схемы включения транзистора следует основное уравнение для токов:
В цепи коллектора необходимо учесть ток неосновных носителей, который протекает под действием источника Eк. Этот ток определяется при оборванном эмиттере и обозначается Iк0 (рис.2). С учетом обратного тока коллектора Iк0 значение выходного тока в схеме с общей базой определяется выражением: Рис.2. Схема включения с общей базой при Iэ = 0 Влияние выходного напряжения на ток коллектора зависит от дифференциального сопротивления коллекторного перехода rк и определяется соотношением Uк/rк. Уравнение выходного тока для линейного участка вольтамперной характеристики имеет вид:
Схема включения с общим эмиттером приведена на рис.3. В этой схеме на вход и на выход подаются регулируемые напряжения Uбрег и Uкрег. Эмиттер является общим электродом для входа и выхода. Принцип действия биполярного транзистора не изменяется при изменении схемы включения, так как эмиттерный переход П1 включается в прямом направлении, а коллекторный П2 – в обратном. В отличие от схемы с общей базой напряжение Uкрег подключается к двум p-n-переходам П1 и П2. Из-за этого в области базы появляется избыточный отрицательный заряд, если разомкнута цепь эмиттера. Отрицательный заряд скапливается у границы перехода П2 и вызывает полевой пробой этого перехода, поэтому в схемах включения с общим эмиттером и общим коллектором нельзя включать транзистор с оборванной базой. Данное условие необходимо соблюдать для биполярных транзисторов разной мощности, особенно для средней и большой. В паспортных данных биполярных транзисторов указывается минимальный ток базы или внешнее сопротивление в цепи базы, при которых не происходит пробоя коллекторного перехода.
Рис.3. Схема включения с общим эмиттером Выражение выходного тока для схемы с общим эмиттером получается на основе уравнения выходного тока схемы с общей базой. В выражение (4) подставляется выражение (2):
После преобразования выражения (5) получается коллекторный ток, зависящий от параметра α:
В выражении (6) каждое слагаемое можно рассмотреть отдельно:
где В – коэффициент передачи тока базы, причем, различают статический коэффициент передачи и дифференциальный; на линейных участках характеристик статический и дифференциальный коэффициенты одинаковы; Iк0’ – обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером; rd – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы с общим эмиттером.
Для оценки параметров транзистора зададим коэффициент передачи тока эмиттера α=0,98 и подсчитаем параметры В, rd, Iк0’:
Из соотношения (10) следует, что в схеме с общим эмиттером происходит усиление тока базы, поэтому коэффициент передачи В называется коэффициентом усиления тока базы. Выходное сопротивление транзистора rd уменьшается, а ток Iк0’ возрастает по сравнению со схемой включения с общей базой. Уравнение выходного тока с учетом соотношений (7) запишется в виде:
Для графоаналитического расчета усилительных каскадов используются статические характеристики транзистора: входные Iб = F(Uб) при Uк = const; выходные Iк = F(Uк) при Iб = const; передачи по току Iк = F(Iб) при Uк = const. Входные характеристики имеют вид, аналогичный прямой вольтамперной характеристике диода (рис.4). С ростом коллекторного напряжения характеристики сдвигаются вправо, так как происходит расширение коллекторного перехода в сторону базы и вследствие этого уменьшение ширины базы, а значит – базового тока. Влияние коллекторного напряжения на ток базы незначительное, так как базовый ток в основном определяется прямым напряжением, поступающим на базу.
Рис.4. Входные характеристики транзистора Выходные характеристики транзистора имеют вид, аналогичный вольтамперным характеристикам диода в обратном включении (рис.5а). Принято изображать выходные характеристики в первом квадранте (рис.5б). Первая характеристика представляет собой обратный ток коллектора, который протекает при нулевом полезном сигнале в цепи базы (рис.6). По выходным характеристикам определяются выходное сопротивление транзистора rd в схеме с общим эмиттером и коэффициент усиления тока базы В.
а) б) Рис.5. Выходные характеристики транзистора
Рис.6. Контур протекания обратного тока Iк0’ При включении нагрузки в цепь коллектора (рис.7) транзистор работает в квазистатическом (нагрузочном) режиме. Значение тока коллектора определяется из уравнения 2-го закона Кирхгофа, составленного для выходной цепи:
Рис.7. Схема с общим эмиттером в нагрузочном режиме Из выражения (13) определяются точки холостого хода и короткого замыкания выходной цепи: iк = 0, uк = Ек; uк = 0, По точкам холостого хода и короткого замыкания строится нагрузочная прямая на выходных характеристиках транзистора (рис.8). Прямая пересекает три области работы: область отсечки, активную область усиления и область насыщения.
Рис.8. Области работы транзистора в нагрузочном режиме Область отсечки находится
ниже характеристики обратного тока коллектора Iк0’. На рис.8 рабочей точкой отсечки является точка 1. На
коллекторе действует напряжение отсечки Uкотс. Мощность, рассеиваемая на транзисторе в режиме отсечки,
равна: Активная область усиления расположена между рабочими точками 1 и 4, где выходной ток изменяется пропорционально входному току: Iк = В*Iб. Область называется активной, т.к. на ней происходит усиление сигнала за счет внутренних свойств транзистора и взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов. В этой области на транзисторе рассеивается наибольшая мощность, определяемая рабочей точкой: Pакт = Iк*Uк. Область насыщения находится между осью тока и выходными характеристиками, которые сливаются в одну линию при малых напряжения коллектора. Рабочей точкой насыщения является точка 4, в которой ток коллектора достигает значения насыщения. При увеличении тока базы Iб ≥ Iб3 ток коллектора не изменяется, а напряжение достигает значения насыщения Uкэн. Мощность, рассеиваемая на транзисторе равна: Pн = Iкн*Uкэн. Причем, в режиме насыщения рассеиваемая мощность больше, чем в режиме отсечки. Экспериментальная часть
Рис.9. Схема для снятия статических характеристики транзистора1. Снятие входной характеристики. Снять входную
характеристику транзистора Iб = F(Uб) при постоянном значении Е2.
Построить входную характеристику и определить по ней входное сопротивление: 2. Снятие характеристики передачи в статическом режиме. Построить характеристику
передачи. Определить по ней коэффициент усиления тока базы
Рис.10. Входная характеристика транзистора
Рис.11. Статическая характеристика передачи транзистора 3. Снятие характеристики передачи в нагрузочном режиме. Для этого в цепь коллектора включить резистор Rк согласно заданному варианту. Схема включения приведена на рис.12. Построить характеристику Iк = B(Iб) при Rк = const. По ней найти токи насыщения базы и коллектора, а также коэффициент усиления тока. Определение этих величин по характеристике показано на рис.13.
Рис.13. Характеристика передачи в нагрузочном режиме Коэффициент усиления по
току 4. Снятие выходных характеристик транзистора. Выходные характеристики снимаются при изменяющемся токе коллектора. Для этого в цепь коллектора подается положительная полуволна напряжения, которая получается в результате однополупериодного выпрямления напряжения ~6,3 В. Схема включения приведена на рис.14. По выходным характеристикам определить выходное сопротивление транзистора:
Определение rd показано на рис.15.
Рис. 15. Выходные характеристики транзистора 5. Оформление отчета. При оформлении отчета представить таблицы измерений, характеристики транзистора, определение параметров по характерситикам. Сделать выводы по каждому пункту. Контрольные вопросы 1. Что такое электронная и дырочная проводимости полупроводника? 2. Чем отличаются транзисторы типа n-p-n и p-n-p? 3. Показать подключение транзисторов типа n-p-n и p-n-p к источникам входной цепи? 4. Изобразить характеристики передачи биполярного транзистора в статическом режиме и нагрузочном? 5. Какой параметр транзистора определяется по характеристике передачи? 6. Как выглядят выходные характеристики транзистора и какие параметры определяются по ним? 7. Как влияет температура на выходные характеристики транзистора? 8. Как смещается линия нагрузки на выходных характеристиках, если сопротивление нагрузки возрастает (уменьшается)? Таблица вариантов
Примечание: студенты, получившие подвариант А – строят нагрузочную прямую на выходных характеристиках транзистора; подвариант Б – строят характеристику передачи в статическом режиме; подвариант В – строят характеристику передачи в нагрузочном режиме. Работа №10 Исследование интегрирующего усилителя Цель работы Изучение свойств интегрирующего усилителя на основе операционного усилителя. Теоретическая часть Схема усилителя приведена на рис.1.
Рис.1. Схема интегрирующего усилителя В цепи обратной связи включены конденсатор С и резистор R7 = 470 кОм. Резистор R7 создает отрицательную обратную связь по постоянному току, что позволяет уменьшить дрейф нуля усилителя. Конденсатор С пропускает переменные составляющие сигнала и осуществляет операцию интегрирования. Пусть частота сигнала 104 Гц, емкость конденсатора 3,3 нФ, тогда
Получается относительно малое сопротивление xс по сравнению с R7, поэтому током i1 можно пренебречь. Пусть операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения, тогда ток iвхu = 0. Точка 2 является виртуальным нулем, поэтому i = ioc. Значение токов определяется из соотношений:
На основании выражения (5) определяется временная функция выходного напряжения:
где Uвых(0) – начальное напряжение на конденсаторе. Пусть Uвых(0) = 0, а на вход подается скачек напряжения с амплитудой Um. Тогда где R4С = τ – постоянная времени интегрирования. Работа интегрирующего усилителя для скачка входного напряжения приведена на рис.2.
Рис.2. Временные диаграммы работы интегрирующего усилителя для скачка входного напряжения Если на вход усилителя подается прямоугольное знакопеременное напряжение, то на выходе получается пилообразное напряжение. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу усилителя, приведены на рис.3.
Рис.3. Временные диаграммы интегрирующего усилителя для периодического прямоугольного сигнала При построении рис.3 начальное напряжение Uвых(0) принято равным 0. Амплитудное значение выходного напряжения Uпm достигается за четверть периода Т прямоугольного сигнала или половину длительности импульса tu:
Тогда значение амплитуды
определяется выражением: При расчете и построении временных диаграмм напряжение Um принимается равным 3 В. Экспериментальная часть 1. Балансировка усилителя. Собрать схему согласно рис.1. При отсутствии входного сигнала добиться нулевого значения выходного напряжения. Напряжение на выходе контролировать при помощи осциллографа. 2. Работа генератора пилообразного напряжения. Исследовать работу
генератора пилообразного напряжения. Для этого в точку 14 схемы подать
прямоугольное знакопеременное напряжение от генератора сигнала, используя у
него выход « 3. Снятие зависимости амплитуды выходного напряжения от частоты. При изменении частоты прямоугольного входного сигнала контролировать изменение амплитуды Uпm = F(f). Результаты измерений занести в таблицу. 4. Оформление отчета. По результатам опыта построить зависимость Uпm = F(f), определить Uпm для заданной частоты и обработать осциллограммы. Контрольные вопросы 1. Что означает понятие «Виртуальный ноль»? 2. Как изменить постоянную времени интегрирования? 3. Что произойдет с выходным напряжением интегрирующего усилителя, если смещается ноль усилителя? 4. Как определить вид обратной связи в усилителе? 5. Что произойдет в схеме, если изменяются R4, R7, R5, С? 6. Как влияет частота входного сигнала на выходное напряжение схемы? Таблица вариантов
Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят временные диаграммы uвх(t), uвых(t); подвариант Б – изображают варианты схем интегрирующих усилителей; подвариант В – расчет выходного напряжения с учетом резистора R7. Библиографический список 1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с. 2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982. – 496 с. 3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с. 4. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Сов. радио, 1979. – 368 с. |
, 
.
. Во
входном контуре получается согласное включение сигналов Uвх и Uос (стрелки направлены в одну сторону). Знаки или фазы сигналов
совпадают, поэтому связь – положительная. Положительная обратная связь приводит
к уменьшению времени переключения компаратора и создает память триггера.
, В
, В
, 
. (1)
. (2)
. (3)
. (4)
. (5)
. (6)
; 
; 
, (7)
; при Uк = const. (8)
; при Iб = const. (9)
; 
; 
. (10)
. (11)
, (12)
. (13)
. (14)
.
. Входная характеристика показана на
рис.10.
. Характеристика передачи транзистора
показана на рис.11.
. (15)
. (16)
. (1)
, (2)
, (3)
, (4)
,
. (5)
, (6)
, (7)
,
, где f – частота входного сигнала.
(8)
». Установить
заданную частоту f и амплитуду
входного напряжения Um.
Зарисовать осциллограммы uвх(t) и uвых(t). Сравнить с расчетом по значениям Um, f, Uпm.