Практические основы аналоговых и цифровых схем - Каплан Д., Уайт К.

Автор: Каплан Д. Уайт К.

Теги: электроника цифровая электроника

ISBN: 5-94836-038-5

Год: 2006

Похожие

Основы цифровой электроники

Основы аналогового и цифрового звука.

Основы цифровой электроники.

Основы цифровой электроники

Текст

элект
Д. КАПЛАН, К. УАЙТ
Практические
основы
аналоговых
и цифровых
схем
ТЕХНОСФЕРА

Д. КАПЛАН, К. УАЙТ
Практические
основы
аналоговых
и цифровых
схем
Перевод с английского
А.А. Кузьмичевой
под редакцией А.А. Лапина
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2006
Д. Каплан, К. Уайт
Практические основы аналоговых и цифровых схем
Москва:
Техносфера, 2006. - 176 с. ISBN 5-94836-038-5
Массовая книга предназначена для широкой аудитории от студентов и
радиолюбителей до инженеров-практиков. В одном компактном издании
изложены как основы аналоговой и цифровой схемотехники, так и
необходимые сведения об электронных приборах и компонентах, а также
об измерительных приборах.
Книга позволяет изучить основные схемы с паяльником в руках благо-
даря множеству экспериментальных упражнений. Получившийся "прак-
тикум в книге" необходим как разработчикам, так и инженерам', занима-
ющимся ремонтом и обслуживанием аппаратуры.
Hands-On Electronics
A One-Semester Course for
Class Instruction orSetf-Study
Daniel M. Kaplan
Christopher G. White
© 2003 Cambridge University Press
© 2006, ЗАО "РИЦ "Техносфера",
перевод на русский язык, оригинал-макет.
ISBN 5-94836-038-5
ISBN 0 521 89351 8 (англ.)
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ОТ ВЕДУЩИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
ОСЕГ Д-’ ЭДЕ £3 ПРОМЫШЛЕННЫХ КОЛИЧЕСТВ АХ
ANALOG. OEVICES - мировой лидер;
в. облоги рйлзаССТКи И, произволе г од
Hh't'ivtf.’trHfeix мнц)ис><:ем длн инмагоэди
» и цифровойЬоработпч сигналов
• фперацио сил ли
• АЦПиЦАП
• Источи <иопорногон п яжения S
и супер ы
• Регуляторы напряжения
• Интерфейсные микросхемы
• А><1логовые ключи и мулыипле оры .
Акселерометры
Датчики температуры
www.platan.ru
® ПЛАТАН
ОЭЗ) 37-000 >□ (многоканальный)
Бесплатный каталог
и CD Платана высылаются
по заявкам предприятий
. . . . I. г Мортвя, ул.Ивана Франко, 40, стр.2, (095)97-000-99,
гь.чта: 1'21351, Москва, а/я 10*., a mail: 7latan@aha.ru м. Новослободская: Москва, 1-й
ЩсмилоосМийпер., 17/19, стр. 2, /0^5)744- 7 ’ ' jjlatan@platan.ru
Офис « Спикг-h ч. ул.Зверинская, 44 i. 1 J)232-88-36, 232-23-73, platan@mail.wplus.net
Предетзгвгте1чы;тоэ! Вор «меж: (рТ32)9С~75:? 7 Казань: (8432)92-18-06 Киев: ул.Чистяковская, 2,
и. г 37-9, - н . г 3е:; > 1 ^33-56 Омск: (3812)24-69-03 Ульяновск:
|Я422|37-55-бТ • >. (3472)32-33-42
. . 4. . и : , ,г ;077?|32-87-2? И «.«век: (3412)43-72-51 Омск: (3812)24-10-90
! । -на Д ну: (8г«32|44-34-4м Сир ih • 8452127-; 8-55 Самара: (8462)35-26-09 С Петербург:
1812)327 .6 . 2 (8452)27 55 Тольятти: (8482)70-91-03 Томск: (3822)55-65-30,
51 .12-25 ЧсС , (Ь352)5бИ53-иЭ » ^па («362) 45-17-45 Минск: (375-17) 287-28-60
Содержание
Предисловие авторов...................................... 12
Введение................................................. 13
Глава 1. Универсальный измерительный прибор,
макетная плата и осциллограф............................. 14
1.1. Универсальный измерительный прибор.............. 14
1.2. Макетная плата.................................. 15
1.2.1. Измерение напряжения...................... 16
1.2.2. Измерение тока; сопротивление и закон Ома... 18
1.2.3. Измерение сопротивления .............;.... 19
1.3. Осциллограф......................................20
1.3.1. Зонды. Проверка зондов.....................21
1.3.2. Дисплей....................................22
1.3.3. Вертикальная настройка.....................22
1.3.4. Горизонтальная настройка...................22
1.3.5. Синхронизация..............................23
1.3.6. Дополнительные функции ....................24
Глава 2. КС-цепи..........................................25
2.1. Конденсаторы.....................................25
2.1.1. Использование конденсаторов................26
2.1.2. Типы и номиналы конденсаторов..............28
2.2. Ток, напряжение и мощность.......................29
2.2.1. Эксперимент с превышением
максимально допустимой мощности...................29
2.3. Потенциометр как делитель напряжения.............30
2.3.1. Делитель постоянного напряжения............31
2.3.2. Делитель переменного напряжения............31
2.4. КС-цепь..........................................32
2.5. КС-схема как интегратор..........................33
2.6. Низкочастотный фильтр............................33
2.7. КС-схема как дифференциатор......................35
2.8. Высокочастотный фильтр...........................36
2.9. Выводы.......................................... 37
Глава 3. Диоды............................................39
3.1. Полупроводники...................................39
3.2. Типы диодов......................................41
3.3. Выпрямители .....................................43
3.4. Динамическое сопротивление диода.................43
3.5. Измерение характеристик диода....................43
3.6. Изучение процесса выпрямления переменного тока...45
3.7. Входной и выходной импеданс выпрямителя..........50
Logic Supply
as Law asC.SV
J1TLTL
eoMsps
один из ведущих
мировых
производителей
аналоговых
и аналогово-цифровых микросхе
130Л0Т0И ШАР
представляет
торговую марку
LTC2208 14/16-битный АЦП. Производительностью 130 Ms,*
LTC2255 14-битный АЦП. Производительностью 125 Msps с малым энергопотреблением
LTC6241 Малошумящий операционный усилитель на частоты до 18 МГц
LTC6078 Микромощный прецизионный усилитель CMOS
LTC3418 Импульсный регулятор напряжения на 8 А
LTC3215 Драйвер сверхяркого светодиода на ток 700 мА
LTC5528 Высоколинейный квадратурный модулятор 1,5...2,4 ГГц
www.zolshar.ru
Содержание
Глава 4. Биполярные транзисторы...........................52
4.1. Биполярные транзисторы (BJT).....................52
4.1.1. Основные определения.......................54
4.1.2. Анализ транзисторных схем..................55
4.1.3. Модель транзистора Эберса—Молла............55
4.2. Эксперименты.....................................57
4.2.1. Проверка транзисторов......................57
4.2.2. Эмиттерный повторитель.....................57
4.2.3. Усилитель с общим эмиттером................59
4.2.4. Коллектор как источник тока................61
4.2.5. Транзисторный переключатель................63
4.3. Дополнительные эксперименты................л.....64
4.3.1. Пара Дарлингтона...........................64
4.3.2. Двухтактный усилитель......................65
4.3.3. Усилитель с общей базой....................66
Глава 5. Полевые транзисторы..............................68
5.1. Полевые транзисторы..............................68
5.1.1. Характеристики полевых транзисторов........70
5.1.2. Математическая модель полевого транзистора.71
5.2. Эксперименты.....................................71
5.2.1. Характеристики полевых транзисторов........71
5.2.2. Источник тока на полевом транзисторе.......73
5.2.3. Повторитель источника тока.................74
5.2.4. Усилитель на полевом транзисторе
с управляющим ря-пере ходом.......................76
Глава 6. Дифференциальный усилитель.......................78
6.1. Дифференциальный усилитель.......................78
6.1.1. Принцип действия...........................78
6.1.2. Расчет коэффициента усиления...............79
6.1.3. Измерение коэффициента усиления............80
6.1.4. Входное напряжение смещения................80
6.1.5. Коэффициент усиления синфазного сигнала....81
6.2. Операционные усилители...........................82
6.2.1. Токовое зеркало............................82
6.2.2. Дифференциальный усилитель
с источником тока.................................83
6.2.3. Улучшенное токовое зеркало.................85
6.2.4. Токовое зеркало Вильсона...................85
Глава 7. Операционные усилители...........................87
7.1. Операционный усилитель 741 ..................... 87
7.1.1. Выводы микросхемы 741 и подача питания.....88
7.1.2. Идеальный операционный усилитель...........88
National Instruments
Измерения и Автоматизация:
• многофункциональные устройства
сбора данных и согласования сигналов
NATIONAL INSTRUMENTS
LabVIEW8
программное обеспечение для систем
измерений и автоматизации

• встраиваемые контроллеры
модульные приборы:
мультиметры, генераторы сигналов,
осциллографы, коммутаторы
интерфейсные модули
для промышленных сетей
(CAN, Device Net)
системы управления автономными
приборами (GPIB, RS интерфейсы)
системы распределенного
ввода/вывода сигналов
• системы машинного зрения
• системы управления движением
ni com/russia
^NATIONAL
^INSTRUMENTS
National Instruments Russia
Озерная ул, 42, Офис 1101, Москва 119361
Тел.. 095 783 6851, факс 095 783 6852
E-mail ni.russia@ni.com
!Lih получения подробной.
информации овониге по гелефб
095 783 68 5
Содержание
7.1.3. Коэффициент усиления инвертирующего
и неинвертирующего усилителей....................89
7.1.4. Золотые правила операционных усилителей...90
7.1.5. Реальный операционный усилитель...........90
7.2. Эксперименты...................................91
7.2.1. Тестирование коэффициента усиления
незамкнутой цепи.................................91
7.2.2. Инвертирующий усилитель...................92
7.2.3. Неинвертирующий усилитель.................94
7.2.4. Повторитель напряжения....................94
7.2.5. Дифференциальный усилитель................96
7.3. Добавочные эксперименты..................'.....98
7.3.1. Источник тока.............................98
7.3.2. Неинвертирующий суммирующий усилитель
с дифференциальным усилителем....................98
Глава 8. Устройства на основе операционного усилителя..101
8.1. Обработка сигналов операционными усилителями...101
8.1.1. Дифференциатор...........................102
8.1.2. Интегратор...............................103
8.1.3. Логарифмический и экспоненциальный
усилители.......................................105
8.2. Эксперименты..................................106
8.2.1. Дифференциатор и интегратор..............106
8.2.2. Логарифмический и экспоненциальный
усилители.......................................108
8.2.3. Активный выпрямитель на основе
операционного усилителя.........................108
8.2.4. Операционный усилитель
с двухтактным усилителем мощности на выходе.....109
8.3. Добавочные эксперименты.......................111
Глава 9. Компараторы и генераторы......................112
9.1. Эксперименты...................................112
9.1.1. Операционный усилитель как компаратор....112
9.1.2. Самопроизвольная обратная связь..........114
9.1.3. Положительная обратная связь.
Триггер Шмидта...................................115
9.1.4. Генератор прямоугольных импульсов........116
9.1.5. Интегральная схема таймера 555............117
9.2. Добавочные эксперименты.......................120
9.2.1. Сигнализатор.............................120
9.2.2. Генератор синуса/косинуса................121
9.2.3. Активный полосной фильтр.................122
Адрес редакции; 107045, Москва, Селнвестров пер.; 10
Телефон: (095) 207-31-18, факс: (095) 208-77-13 Подписной индекс (по каталогу “Роспечати’’) 70772
E-mail: (095) lnfo@radlo.ru Сайт: www.radio.ru
НОВЫЕ КНИГИ
ПО ТЕХНИЧЕСКИМ и естественным НАУКАГ-
м
КНИЖНЫЕ СЕРИИ
L Мир математики
^физики и 16ХНИКИ
дайии и медицины
Мир химии
1Дматериалов и технологий
Мир ЭЛОК I роники
Цмир программирования
Мир связи
Мир стро»<тельс1ва
Мир цифровой обрабмл ки]
Мир дизайна
Мир увлечении
иЭлиртеЧк.з "Квант
ТЕХНОСФЕРА
РЕКЛАМНО-ИЗДАТЕЛЬСКИИ ЦЕНТР
125319 Москва, а/я594
телефон (095) 234-0110, факс: (095) 956-3346
E-matl: sales@technosphera.ru
http://www. technosphere, ru
Содержание
Глава 10. Комбинационные логические схемы..................124
10.1. Основы цифровой логики...........................124
10.1.1. Логические уровни..........................124
10.1.2. Семейства логических схем и их история.....126
10.1.3. Логические схемы ..........................127
10.1.4. Булева алгебра.............................127
10.2. КМОП и ТТЛ.......................................129
10.2.1. Диодная логика.............................129
10.2.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)......129
10.2.3. Комплементарные микросхемы
цифровой логики (КМОП).............................130
10.2.4. Питание интегральных схем ТТЛ........_.....132
10.3. Эксперименты.....................................133
10.3.1. Светодиодные логические индикаторы
и переключатели уровней............................133
10.3.2. Комплементарные микросхемы цифровой логики...134
10.3.3. КМОП-микросхема И-НЕ.......................135
10.3.4. Использование логики И-НЕ
для реализации других логических функций...........136
10.3.5. Счетверенная ТТЛ микросхема
исключающее ИЛИ ...................................137
10.4. Добавочный эксперимент...........................137
10.4.1. 4-битный компаратор 7485...................137
Глава 11. Триггеры в логических схемах.....................138
11.1. Основные комментарии.............................138
11.1.1. Принципиальные схемы.......................138
11.1.2. Размещение на макетной плате...............138
11.1.3. Логические схемы с внутренней синхронизацией.139
11.1.4. Временные диаграммы........................139
11.2. Основные схемы триггеров.........................140
11.2.1. Простой AS-фиксатор........................140
11.2.2. Триггер задержки (Р-типа)..................140
11.3. /А"-триггер......................................142
11.4. Выход с тремя состояниями........................143
11.5. Применение триггеров.............................144
11.5.1. Делитель на 4 на основе ТА^-триггера.......144
11.5.2. Дребезг контактов..........................145
11.5.3. Электронное устройство для приема монет....147
Глава 12. Ждущие мультивибраторы, счетчики, мультиплексоры,
память с произвольным доступом.............................148
12.1. Мультивибраторы..................................148
12.2. Счетчики.........................................149
12.3. Эксперименты.....................................149
Содержание
12.3.1. Десятичный счетчик со сквозным переносом.149
12.3.2. Ждущий мультивибратор....................151
12.3.3. Мультиплексор............................153
12.3.4. Память с произвольным доступом (RAM)...154
Глава 13. Аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразования.157
13.1. Простой ЦАП....................................157
13.2. Простой АЦП....................................159
13.3. Микросхемы АЦП и ЦАП серии 080х................161
13.3.1. АЦП последовательного приближения........161
13.4. Добавочные эксперименты........................166
13.4.1. Цифровая запись..........................166
13.4.2. Схема АЦП последовательного приближения,
состоящая из отдельных компонентов...............167
Приложения...............................................171
Приложение 1. Условные обозначения
в принципиальных электронных схемах..................171
Приложение 2. Частотный анализ ЛС-схем...............172
Предисловие авторов
Каждый из вас начинает изучать электронные схемы. Последователь-
ность лабораторных экспериментов, приведенных в книге, составле-
на так, что шаг за шагом вы изучите основы современной аналоговой
и цифровой электроники.
Электронное оборудование повсеместно сопровождает нашу жизнь —
на работе и дома. А ученые и инженеры без такого оборудования прак-
тически не могут осуществить свою работу. Поэтому каждому полезно
будет сделать все задания из этой книги. Пройдя весь курс практичес-
кой электроники, вы сможете спроектировать и собрать любую анало-
говую или цифровую схему и справиться с любой проблемой в элект-
ронном оборудовании. Базовые знания по электронике помогут вам
разобраться в специфике работы оборудования и приборов, которые
будут применяться в ваших исследованиях, испытаниях, работе.
Конечно, если вы изучали такие теоретические дисциплины, как
электромагнетизм и квантовая механика, вам легче будет освоить пред-
ложенный курс. Однако незнание их не является препятствием, и вы
все равно с помощью этой книги научитесь проектировать и исполь-
зовать электронные устройства.
Введение
Данная книга начала свое существование как руководство к лаборатор-
ным работам по курсу «Физика 300» Иллинойского технологического
института. Это профилирующая дисциплина института и изучается в каж-
дом семестре. Главным образом курс посвящен физике, электромехани-
ке и авиационной технике. На каждый эксперимент отводится по 4 часа
и от 1 до 2 часов на подготовку к нему.
Данная книга отличается от остальных книг такого типа тем, что за
сравнительно короткий срок, практически за один семестр, дает воз-
можность освоить основные элементы аналоговой и цифровой элект-
роники. Обычно лабораторные курсы по электронике состоят из двух
частей — аналоговой и цифровой и рассчитаны на 2 семестра.
С помощью этой книги возможно самостоятельно изучить основы элек-
троники. Особенно это актуально для специалистов любой отрасли, кото-
рые работают на современном оборудовании или с электронными прибора-
ми. Кроме того, такой подход к изучению электроники, когда каждый шаг
подкрепляется практическими экспериментами, гораздо эффективней, чем
просто чтение учебника. Полное знание приходит через решение заданий.
Знакомство с электроникой по этой книге начинается с закона Ома,
простых схем переменного тока. Далее рассматриваются нелинейные
электронные компоненты, а потом активные электронные компонен-
ты. Очень важно понимать, как работает каждый компонент и почему.
Далее рассматриваются основные электронные схемы, а затем изучают-
ся основные интегральные схемы.
При написании этой книги учитывались мнения и пожелания мно-
гих преподавателей электроники. Книга состоит из следующих частей:
1. Универсальный измерительный прибор, макетная плата и осциллограф
2. АС-схемы
3. Диоды
4. Биполярные транзисторы
5. Полевые транзисторы
6. Дифференциальный усилитель
7. Операционные усилители
8. Устройства на основе операционного усилителя
9. Компараторы и генераторы
10. Комбинационные логические схемы
11. Триггеры в логических схемах
12. Ждущие мультивибраторы, счетчики, мультиплексоры, память с
произвольным доступом
13. Цифроаналоговое и аналогов©-цифровое преобразования.
В каждой части есть подробные инструкции по экспериментам и
необходимые объяснения. Предусматривается, что все изучение можно
осуществить за 16 недель (1 семестр). При прохождении курса возмож-
но применение других учебников.
ГЛАВА 1
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР,
МАКЕТНАЯ ПЛАТА
И ОСЦИЛЛОГРАФ
До начала изучения практической схемотехники необходимо освоить
средства тестирования и создания макетов: универсальные измеритель-
ные приборы, макетные платы и осциллографы. Они понадобятся как
для изучения электроники, так и для изготовления электронных схем.
Рекомендуется иметь: один двухканальный осциллограф, одну макет-
ную плату со встроенным источником питания, один цифровой изме-
рительный прибор, два индикаторных пробника с 10-кратным ослабле-
нием, красный и черный проводники со штекерами типа «банан», два
зажима типа «крокодил».
1.1. Универсальный измерительный прибор
Универсальные измерительные приборы (их называют еще тестера-
ми или мультиметрами) позволяют измерять напряжение, ток и со-
противление. В современных универсальных измерительных прибо-
рах есть несколько входных гнезд типа «банан», и для того, чтобы
производить измерения, необходимо иметь два проводника со ште-
керами типа «банан». Назначение входных гнезд прибора подробно
описано в табл. 1.1. В зависимости от того, какие входы используют-
ся, прибор показывает:
• разницу напряжений между двумя проводниками;
• ток, протекающий через прибор от одного провода к другому;
• сопротивление между проводниками.
Таблица 1.1. Входы цифрового универсального измерительного прибора
Обозначение гнезда входа Назначение Пределы измерения
СОМ («общий») VQ mA 10А Для всех измерений Для измерения напряжения или сопротивления Нижняя шкала измерения тока Высшая шкала измерения тока 10ОО В постоянного тока; 750 В переменного тока 200 мА 10 А
1.2. Макетная плата
Обычно в универсальных измерительных приборах есть селектор-
ный переключатель, которым выбирается вид измерения и устанавли-
вается диапазон измерений. Следует заметить, что наивысшая точность
измерения осуществляется на самых нижних диапазонах.
Внимание! Для предотвращения поломки прибора необходимо сначала
прочитать описание прибора или инструкцию по эксплуатации.
1.2. Макетная плата
Макетная плата имеет свою историю развития. Начиналась она с дере-
вянной доски, на которой любители собирали свои электронные схе-
мы. Сейчас это очень удобное устройство: макетная плата состоит соб-
Горизонтальный
(группа
из 5 гнезд)
Скользящий
контакт
«Амплитуда»
Скользящий \
контакт \
«Частота»
Функциональный
генератор
Цифровой
Анало-
говый
Кнопочные
переключатели
с противодребез-
говой защитой
+5 в +15 В -15 В
10 кОм
потенциометр
1 кОм
потенциометр
Г руппа
переключателей логики
Однополюсные переключатели
на два направления
И И И i, (группа
|001][]|]0|]|]| из 25 гнезд)
8 Ом
динамик
Рис. 1.1
Макетная плата РВ-503. Встроенные устройства изображены
отдельно.
Глава 1. Универсальный измерительный прибор
ственно из самой печатной платы, на которой есть гнезда для подклю-
чения различных электронных компонентов, источника питания, фун-
кционального генератора, переключателей, индикатора логики и проч.
Для упражнений будем использовать макетную плату РВ-503. Если
нет возможности ее приобрести, можно использовать любую другую,
но обязательно с функциональным генератором и двумя источниками
питания. Дополнительно к макетной плате нужно приобрести потенци-
ометры с сопротивлением / кОм и 10кОм, маленький динамик с сопро-
тивлением 8 Ом, два кнопочных переключателя с противодребезговой
защитой, несколько светодиодных индикаторов и несколько различных
перекл ючателей.
На рис. 1.1 изображены основные элементы макетной платы РВ-503.
Макетные платы других марок укомплектованы почти также. Гнезда ма-
кетной платы оборудованы пружинными контактами: если неизолиро-
ванный провод вставить в гнездо, пружина прижимает его и обеспечива-
ет электрический контакт. Размер каждого гнезда соответствует
максимальному размеру толщины проводов. Гнезда РВ-503 соединены
печатными проводниками в группы по 5 штук в горизонтальных рядах и
по 25 штук в вертикальных колонках (см. рис. 1.1). Каждый источник
питания оборудован гнездами типа «банан», а также подсоединен к ря-
дам гнезд на верхнем крае платы. Источник питания РВ-503 обеспечива-
ет +5 В (красное гнездо), +15 В (желтое гнездо) и —75 В (голубое гнездо),
также имеется гнездо «земля» (черного цвета). С помощью кнопок на-
стройки напряжения можно производить подачу питания любого номи-
нала: от напряжения ниже 5 В до напряжения выше 75 В.
1.2.1. Измерение напряжения
Чтобы измерить напряжение, сначала необходимо подсоединить гнездо
СОМ («общий» или «земля») измерительного прибора с таким же гнез-
дом на макетной плате, затем соединить прибор с точкой, в которой
нужно измерить напряжение. Прибор зафиксирует напряжение в точке
измерения относительно «земли». Рекомендуется использовать цвето-
вой код проводов: черный провод соединяется с «землей», красный —
вход измерительного прибора.
Так как источник питания измерительного прибора — это батарея,
то можно сказать, что «земля» прибора «плавает». Поэтому можно про-
вод прибора «земля» соединять с любым напряжением относительно
«земли» макетной платы. Следовательно, можно измерять падение на-
пряжения на любом компоненте схемы, просто подсоединяясь к этому
элементу (см. рис. 1.2).
Внимание! Так делать нельзя, если измерительный прибор питает-
ся переменным напряжением, и при работе с осциллографом.
1.2. Макетная плата
Т" Земля
Универсальный
измерительный
[прибор
Рис. 1.2. Измерение напряжения:
а — схема, иллюстрирующая, как измеряется напряжение. При
этом прибор показывает падение напряжения на резисторе и на
конденсаторе;
б — рисунок той же самой схемы показывает, как провода при-
бора должны быть подсоединены.
Рис. 1.3. Измерение тока:
а — схема, иллюстрирующая, как измеряется ток;
б — рисунок той же самой схемы показывает, как провода при-
бора должны быть подсоединены.
Питание
► Задание
Измерьте и запишите напряжение между каждым гнездом источника
питания и «землей». В каждом случае устанавливайте правильный диа-
пазон измерений для обеспечения более высокой точности измерения.
► Задание
Установите полный диапазон для напряжения питания +15 Вн —15 Ви
определите минимальное и максимальное напряжение питания.
2 — 1902.
Глава 1. Универсальный измерительный прибор
1.2.2. Измерение тока;
сопротивление и закон Ома
Ток измеряется амперметром или универсальным измерительным при-
бором, переключенным в режим «ток». Приборы соединяются последо-
вательно с элементом схемы, через который протекает ток (см. рис. 1.3).
Следует обратить внимание на разницу способов подключения (срав-
ните рис. 1.2 с рис. 1.3).
Закон Ома устанавливает зависимость тока, напряжения и сопро-
тивления:
V=1R. (1.1)
Однако он не является универсальным законом электрических со-
единений, он констатирует только то, что существуют материалы, для
которых ток находится в линейной зависимости от напряжения. Такие
материалы используются для производства резисторов. Обычно это ци-
линдр из углерода, углеродная пленка, металлическая пленка или про-
волока, упакованные в изоляционное покрытие, с проволочными вы-
водами на концах. Номинал сопротивления чаще всего изображается с
помощью цветных полосок на корпусе, это так называемый цветной
код (см. табл. 1.2). Габаритные размеры резистора зависят от макси-
мально допустимой мощности. Стандартные значения максимально до-
пустимой мощности: 2 Вт, 1 Вт, 0,5 Вт, 0,25 Вт и 0,125 Вт.
Сопротивление определяется суммированием значений колонки 1 и 2,
далее умножением на число из колонки 3 и плюс/минус допуск из ко-
лонки 4
Таблица 1.'2. Цветной код для непрецизионных резисторов
Полоска 1 2 3 4 (допуск)
Черная 0 0 10°
Коричневая 10 1 10'
Красная 20 2 ю2
Оранжевая 30 3 103
Желтая 40 4 104
Зеленая 50 5 10s
Г олубая 60 6 10f'
Фиолетовая 70 7 10'
Серая 80 8 10е
Белая 90 9 10в
Золотая Полоска 2 5%
Серебряная Полоска 1 Полоска 3 10%
Нет полоски 20%
-II
1 1
Полоска допуска
1.2. Макетная плата
Убедиться в правильности закона Ома можно с помощью потенцио-
метра сопротивлением 10 кОм на макетной плате. Потенциометр — это
один из типов резисторов, скользящий контакт которого можно помес-
тить в любой части резистивного материала и, таким образом, устано-
вить любое сопротивление резистора. На макетной плате потенциометры
расположены в нижней ее части (см. рис. 1.1). У потенциометра сопро-
тивлением 10 кОм большая черная рукоятка. Подключается потенцио-
метр по схеме на рис. 1.3. Проводами соединяются его гнезда с источни-
ком питания и измерительным прибором. При этом необходимо помнить:
• перед соединением схемы нужно выключить питание макетной
платы, чтобы избежать неприятностей, если будет сделана ошиб-
ка в процессе подсоединения схемы;
• аккуратно обращаться с металлическими предметами, не допус-
кать соприкосновения между ними, чтобы не сделать короткого
замыкания! Например, винты на макетной плате обладают низ-
ким сопротивлением относительно «земли»;
• если случайно соединить питание или «землю» с плавающим кон-
тактом потенциометра, то потенциометр сгорит;
• перед включением питания нужно проверить еще раз правиль-
ность соединения схемы.
► Задание
Используя закон Ома, рассчитайте ток, который будет течь по схеме,
если известно, какое напряжение вы включите (15 В, минимальное на-
пряжение, максимальное напряжение, — см. предыдущее задание).
► Задание
Включите питание макетной платы и измеряйте ток для различных на-
пряжений (75 В, минимальное напряжение, максимальное напряжение).
Сравните результаты измерений с расчетами. По результатам измере-
ний постройте график зависимости напряжения от тока. Зависимость
получилась линейной? Как можно связать наклон графика и 10 кОм?
1.2.3. Измерение сопротивления
Теперь нужно выключить питание макетной платы и разобрать схему.
Потенциометр оставить подсоединенным к измерительному прибору.
► Задание
Установите измерительный прибор в режим «сопротивление» и опреде-
лите, какое сопротивление у потенциометра. Так как все резисторы из-
готавливаются с допусками, вы можете обнаружить, что сопротивление
потенциометра не точно 10 кОм. Какой процент от номинала составля-
ет измеренное вами сопротивление потенциометра? Соответствует ли
измеренное вами сопротивление наклону построенного графика?
2*
Глава 1. Универсальный измерительный прибор
► Задание
Подсоедините измерительный прибор к плавающему контакту и одно-
му концу потенциометра. Какое сопротивление показывает прибор? Что
произойдет, если вы будете передвигать ручку потенциометра?
► Задание
Оставьте ручку потенциометра в каком-нибудь одном положении, из-
мерьте сопротивление между плавающим контактом и каждым концом
потенциометра и запишите его Сложите ваши показания. Что вы полу-
чили? Объясните.
1.3. Осциллограф
Современный осциллограф — необходимый инструмент для поиска не-
исправностей в схеме, и поэтому нужно уметь с ним обращаться. Реко-
мендуется использовать осциллограф Tektronix TDS2I0 (см. рис. 1.4).
Обратите внимание на кнопку «Автонастройка» — если будут трудности
с использованием прибора, пользуйтесь этой кнопкой. Если у вас нет
такого осциллографа, можно использовать любой двухлучевой осцил-
лограф, аналоговый или цифровой, но желательно с тактовой частотой
30 МГц или выше. При этом необходимо тщательно изучить описание
вашего осциллографа.
До 90-х годов прошлого века почти все типы осциллографов были
аналоговыми приборами. В них входное напряжение усиливается уси-
лителем и поступает на плату управления отклонением электронного
луча на экране. Таким образом, положение луча на экране является
меню
по вертикали
Рис. 1.4. Цифровой осциллограф Tektronix TDS210.
1.3. Осциллограф
аналогом входного напряжения. Цифровой осциллограф функциони-
рует по такому же принципу, как и цифровое устройство записи музы-
ки. Входной сигнал подвергается выборке, кодируется в цифровой код
и сохраняется в устройстве памяти. Цифровой сигнал можно затем по-
казать на экране компьютера.
Для того чтобы посмотреть что-либо на экране осциллографа, мож-
но использовать функциональный генератор, встроенный в макетную
плату. Функциональный генератор способен генерировать прямоуголь-
ные, синусоидальные и пилообразные сигналы с требуемой амплитудой
и частотой. Но сначала нужно освоить встроенный калибратор, метал-
лический контакт которого обычно расположен возле правого нижнего
угла экрана осциллографа.
1.3.1. Зонды. Проверка зондов
Осциллографы поставляются в комплекте с зондами. Зонд — это ка-
бель с коаксиальным разъемом на одном конце и специальным нако-
нечником на другом конце. Предназначен он для подключения в ка-
кой-нибудь точке схемы, в которой нужно произвести измерение.
Для увеличения входного импеданса осциллографа и для того, чтобы
воздействие на схему было минимальным, обычно используются зонды
с 10-кратным ослаблением — внутренняя схема зонда делит напря-
жение сигнала на 10. Некоторые осциллографы укомплектованы обыч-
ными зондами, но автоматически корректируют входной сигнал на
коэффициент 10. Для подключения зондов к осциллографу предус-
мотрены специальные гнезда: «СН1» и «СН2» (см. рис. 1.4) — зонд
нужно вставить в гнездо и повернуть по часовой стрелке. Чтобы све-
сти к минимуму искажения сигнала в зонде, производители разрабо-
тали «компенсационное регулирование», винт которого обычно рас-
полагается рядом с гнездами подключения зондов.
► Задание
С помощью зонда выведите прямоугольный сигнал калибратора на дис-
плей осциллографа. Если сигнал кажется искаженным, аккуратно под-
крутите по часовой стрелке винт компенсационного регулятора. (Если
вы не смогли добиться устойчивого изображения сигнала на дисплее,
используйте режим «Автонастройка».)
► Задание
Проверьте второй зонд. Вы должны быть уверены, что они хорошо ра-
ботают. Рекомендуется прочесть в «Описании» осциллографа раздел,
посвященный тестированию зондов.
Следует заметить, что к каждому зонду прилагается зажим типа «кро-
кодил». Он подсоединяется к экрану коаксиального кабеля. Его ис-
пользование понижает шум при снятии высокочастотного сигнала или
Глава 1. Универсальный измерительный прибор
при работе с низковольтными сигналами. Так как «крокодил» подклю-
чается напрямую к осциллографу, который заземлен через свой источ-
ник питания, его можно подсоединять на схеме только к точке «земля».
Если коснетесь им другой точки схемы, может произойти короткое за-
мыкание и сгорят компоненты схемы.
При измерении напряжения относительно «земли» зондом касае-
тесь нужной точки схемы. Если вам нужно измерить падение напряже-
ния между двумя точками схемы, необходимо измерить напряжение
относительно «земли» в каждой точке, а разница между ними будет
искомым падением напряжения. При этом «крокодил» нельзя снимать
с точки «земля».
1.3.2. Дисплей
В «Описании» даны все необходимые настройки дисплея осциллогра-
фа. Вам необходимо самостоятельно изучить назначение каждой ручки
настройки.
► Задание
Объясните надписи, расположенные возле дисплея.
После того как вы запомнили, где какая настройка, необходимо изу-
чить, как нужно производить каждую настройку.
1.3.3. Вертикальная настройка
Вертикальная настройка предусмотрена для каждого канала (см. рис. 1.4).
Она устанавливает чувствительность (количество вольт на одно деление
экрана) и смещение (расположение О В на экране). Кнопки меню кана-
лов позволяют подключать тот или иной канал, а также выбрать настрой-
ку для профаммирования.
► Задание
Выведите сигнал калибратора на экран осциллофафа но каналу 1. Что
произойдет, если вы воспользуетесь ручкой «Вольт/деление»? Что про-
изойдет, если вы воспользуетесь ручкой положения?
1.3.4. Горизонтальная настройка
Справа от ручек вертикальной настройки расположены ручки гори-
зонтальной настройки (см. рис. L4). Обычно на экране осциллофафа
по вертикальной оси показывается напряжение, а по горизонтальной
оси — время. Ручкой «Сек/деление» устанавливается чувствительность
по оси времени, т.е. какое время соответствует одному делению на
экране осциллографа. Ручками положения устанавливается «О» в нуж-
ном месте.
► Задание
Сколько периодов прямоугольного сигнала у вас на экране? Сколько
делений сетки приходится на один период? Какой интервал времени
соответствует одному делению? Как ваши наблюдения согласуются с
известным периодом сигнала калибратора?
1.3.5. Синхронизация
Наиболее сложной функцией осциллографа является синхронизация. Что-
бы достичь стабильности изображения периодического сигнала на дисп-
лее, в осциллографе запускается специальное напряжение, известное как
уровень синхронизации. Дисплей синхронизируется всякий раз, когда
входной сигнал пересекает это напряжение. Таким образом, несколько
изображений сигнала накладываются друг на друга на одном месте экра-
на. Ручка «Уровень» устанавливает напряжение синхронизации.
Используя кнопку «Меню синхронизации», можно выбрать режим син-
хронизации — либо по переднему фронту, либо по заднему фронту. Кроме
того, можно выбрать источник сигнала синхронизации — первый канал
или второй канал, а также изменять другие параметры синхронизации.
Так как настройка синхронизации может быть довольно сложной,
TDS210 производит автоматическую настройку синхронизации с помо-
щью кнопки «Автонасгройка».
► Задание
После получения стабильного изображения калибровочного сигнала
на дисплее попробуйте регулировать уровень синхронизации в одну и
другую сторону до тех пор, пока не прекратится процесс синхрониза-
ции. Каков диапазон уровня синхронизации для данного калибровоч-
ного сигнала? Сравните амплитуды сигнала при разных уровнях син-
хронизации. Влияет ли уровень синхронизации на распознавание
сигнала? Объясните.
Следующим шагом в изучении осциллофафа должно быть наблю-
дение сигнала функционального генератора, встроенного в макетную
плату. Для этого нужно один конец провода вставить в соответствую-
щее гнездо на макетной плате, а другой конец закрепить в контакти-
рующем устройстве зонда осциллофафа. Амплитуда и частота сигнала
функционального генератора устанавливаются с помощью скользя-
щих контактов соответствующих регуляторов на макетной плате.
► Задание
Выведите на дисплей осциллографа каждый сигнал функционального
генератора: прямоугольный, синусоиду и пилообразный. Попытайтесь
использовать управление частотой и амплитудой и объясните, как они
работают. Установите частоту генерирования 1 кГц.
Глава 1. Универсальный измерительный прибор
► Задание
Используя два зонда осциллографа, на одном канале посмотрите выход
функционального генератора, а на другом выход калибратора. С помо-
щью вертикальной настройки и сдвига получите на каждом канале изоб-
ражение сигнала.
► Задание
Что вы видите на экране при включении синхронизации на канале 1?
На канале 2?
► Задание
Что вы видите при отсутствии синхронизации на каналах (например,
если порог синхронизации слишком маленький или слишком большой)?
► Задание
Как это зависит или не зависит от выбора режима синхронизации «Нор-
мальный» или «Авто»? Почему? (Если у вас будут затруднения с ответом
на это задание, почитайте более тщательно «Описание» осциллографа.)
1.3.6. Дополнительные функции
Осциллограф TDS210 обладает множеством дополнительных функций.
Особенно полезным является цифровое измерение. Включается эта
функция нажатием кнопки «Измерение». Можно выполнять измерение
амплитуды, периода или частоты сигнала. Осциллограф амплитуду из-
меряет не напрямую. Как тогда определяется амплитуда?
► Задание
Используя функцию осциллографа «измерение», определите амплиту-
ду, частоту и период сигнала, который вы получили от функционально-
го генератора макетной платы. Для измерения вы можете использовать
еще экранный курсор.
► Задание
Используя курсор, измерьте полупериод сигнала.
► Задание
Объясните, как вы производили измерения и какие результаты вы по-
лучили.
ГЛАВА 2
ЯС-ЦЕП И
В схемах, работающих на постоянном токе, не применяются кон-
денсаторы. Однако в схемах, предназначенных для работы на пере-
менном токе, широко применяются простые цепи из конденсатора
и резистора, соединенных последовательно. Они производят диф-
ференцирование и интегрирование входного сигнала, отфильтро-
вывают низкочастотные или высокочастотные составляющие сиг-
нала. Последовательную /?С-цепь можно проанализировать двумя
способами:
1) с использованием экспоненты заряд/разряд;
2) рассматривая схему в качестве делителя переменного напря-
жения.
Оба приближения допустимы, они являются математическими эк-
вивалентами. Первый способ применяется, когда конденсатор исполь-
зуется как интегратор или дифференциатор, а второй способ — когда
анализируются фильтры. Первый способ называется временным, так
как он исследует изменение напряжения на конденсаторе во времени.
Второй способ называется частотным методом, так как рассматривает-
ся зависимость от частоты.
Требуемая аппаратура: осциллограф, цифровой универсальный из-
мерительный прибор, макетная плата, резисторы 68 Ом и 10 кОм, кера-
мический конденсатор 0,01 цФ.
2.1. Конденсаторы
Как известно, конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изо-
лирующей прослойкой. Емкость конденсатора пропорциональна площади
проводников А и обратно пропорциональна расстоянию между ними ж
С = ke^A/s,
inc k — диэлектрическая константа,
е0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства,
е0 = 8,854 х IO"'2 F/m.
Единица измерения емкости — фарад (Ф). Эта единица непрактич-
но большая величина. Например, проводники площадью 1 смг с зазо-
ром 1 мм и диэлектрической константой 1 обладают емкостью поряд-
ка нескольких пикофарад. Чтобы получить относительно большую
емкость (порядка несколько микрофарад), используют керамический
Глава 2. RC-цепи
Таблица 2.1. Диэлектрические материалы, используемые в конденсаторах
Материал Диэлектрические константы
Вакуум Воздух Бумага Слюда Керамика 1,0 1,00054 3,5 5,4 100
диэлектрик или специальные диэлектрические пасты (электролиты).
В табл. 2.1 приведены диэлектрические константы некоторых типич-
ных диэлектриков, используемых в конденсаторах.
Конденсаторы классифицируются по типу диэлектрика, который ис-
пользуется при его изготовлении. Кроме того, конденсаторы различа-
ются по способности диэлектрика поляризоваться, например тантало-
вые и электролитические конденсаторы имеют положительный и
отрицательный выводы.
2.1.1. Использование конденсаторов
Основная формула для конденсаторов:
Q=CV, (2.1)
где Q - заряд конденсатора,
V - приложенное напряжение,
С — емкость.
Ток может течь на конденсатор или с него, изменяя его заряд.
Другими словами, ток к конденсатору или от него равен времени,
деленному на заряд. Обратите внимание на сходство уравнений (2.1)
и (1.1). Разница в том, что сопротивление равно времени, деленному
на заряд, который пропорционален напряжению, а емкость — это и
есть заряд.
Как уже известно, емкость функционирует, если напряжение или
ток изменяются во времени. Таким образом, анализируются схемы с
конденсаторами в условиях периодических сигналов, основной харак-
теристикой которых является частота/или период Т, которые находят-
ся в следующей зависимости:
Вводится и понятие угловой частоты w = 2rtf. Единица измерения
частоты — герц (Гц) — количество циклов в секунду. Тогда единица
измерения периода Т — секунда (сек), а угловой частоты — радиан в
секунду (рад/сек). Другая важная характеристика периодического сиг-
нала — амплитуда (Л).
2.1. Конденсаторы
Рис. 2.1. Произвольный периодический сигнал с периодом Т и амп-
литудой Ко.
Основные периодические сигналы в схемах — прямоугольной и си-
нусоидальной формы. Прямоугольный сигнал был рассмотрен в преды-
дущей главе. Его амплитуда в одном полупериоде равна + Ц, в другом
полупериоде — И. Напряжение между двумя пиками составляет 2А. Си-
нусоида является элементарной составляющей периодических сигна-
лов, так как согласно закону Фурье сигнал любой формы можно пред-
ставить как сумму синусоид с различными амплитудами и частотами.
Поэтому функционирование большинства схем анализируется при про-
хождении синусоидального сигнала.
Математическая <}юрмула синусоидальной волны записывается как:
Ц/) = + Ф)- (1-2)
Фаза определяется при t = 0:
ЦО) = Kosin<p. (2.3)
Предположим, синусоидальный сигнал поступает на конденсатор,
при этом для упрощения <р = 0, а напряжение в начальный момент
времени (Z = 0) равно нулю. Так как в схеме нет резистора, нет падения
напряжения. Таким образом, в любой момент времени напряжение на
конденсаторе равно выходному напряжению источника сигнала. Опре-
делим ток из уравнения (2.1):
/ = ^G. dt ’ (2.4)
= с— dt ’ "c~rSV' sinw/>; dt = wCV0 cos wt; (2.5) (2-6) (2.7)
= wCV0 sin(w/ + 90°). (2.8)
Ясно, что ток является также синусоидой, но со сдвигом во времени
фазы на 9ff, т.е. ток опережает напряжение на 9(J.
Глава 2. НС-цепи
Закон Ома для конденсатора будет иметь вид:
К=1»ХС, (2.9)
где I — амплитуда синусоиды,
Хс = 1/wC — емкостная реактивность конденсатора.
Реактивность — это сопротивление переменному току. Следует заме-
тить, что реактивность зависит от частоты. Причем на низких частотах
конденсатор стремится к незамкнутой цепи (бесконечная реактивность),
а на высоких частотах конденсатор стремится к короткозамкнутой цепи
(реактивность равна нулю).
По аналогии с емкостной реактивностью конденсаторов катушки
индуктивности обладают индуктивной реактивностью XL = wL. Напря-
жение на индуктивности определяется по формуле:
<2.10)
Так же как в конденсаторе используется диэлектрик для создания
емкости, так и в катушках индуктивности используется ферромаг-
нитный сердечник для увеличения индуктивности. Следует заметить,
что напряжение на индуктивности — дифференциал тока, а напряже-
ние на конденсаторе — интеграл тока. Кроме того, ток на конденса-
торе опережает напряжение на 9(1, а ток на индуктивности запазды-
вает на 9(7. Таким образом, можно сделать вывод, что конденсатор
является противоположностью индуктивности в реакции на перемен-
ное напряжение. Также они противоположны и в чисто внешних свой-
ствах: конденсаторы относительно маленьких размеров, легкие, де-
шевые и обладают незначительным сопротивлением; катушки
индуктивности, как правило, имеют большие размеры, большой вес,
высокую стоимость и ощутимое сопротивление.
2.1.2. Типы и номиналы конденсаторов
Большинство выпускаемых конденсаторов имеют номиналы в диапазоне
микрофарад и пикофарад. Первые маркируются с буквой М. Например,
ЮМ— это 10 микрофарад, 10000 М— это 10 милифарад. Если маркировка
стоит 10, это означает 10 пикофарад. Также на конденсаторах указывает-
ся максимально допустимое напряжение. Некоторые маленькие конден-
саторы маркируются, как резисторы, полосками, некоторые — числовой
надписью: первая цифра означает количество десяток, вторая — количе-
ство единиц, третья — показатель степени 10. Единица емкости — пико-
фарад. Таким образом, вносится некоторая путаница. Например, если на
конденсаторе стоит 470, то это можно расценить как 470 пикофарад либо
как 47х ЮР = 47 пикофарад. Поэтому рекомендуется посмотреть в сопро-
водительный сертификат. Кроме точного указания номинала, там дают-
ся точность и предельно допустимое напряжение.
2.2. Ток, напряжение и мощность
2.2. Ток, напряжение и мощность
Напряжение — это разница потенциалов. Падение напряжения на ка-
ком-нибудь компоненте прямо пропорционально изменению заряда по
мере прохождения им компонента. Потенциал — это напряжение, ум-
ноженное на заряд.
Ток — это движение заряда. Ток, протекающий через поперечное
сечение проводника, определяется как заряд, проходящий в единицу
времени. Единица измерения тока — ампер. Произведение напряжения
и тока известно как мощность, и измеряется она в ваттах (Вт):
P = IV. (2.11)
Подставив в уравнение (2.11) формулу закона Ома, получаем:
, V2
P=1V = I2R = 2—.
(2-12)
Для всех резисторов, диодов, транзисторов, реле, интегральных схем
и т.д. указывается максимально допустимая мощность. Превышение
максимально допустимой мощности будет губительным для схемы и
может даже вызвать возгорание!
2.2.1. Эксперимент с превышением
максимально допустимой мощности
Для иллюстрации недопустимости превышения максимально допустимой
мощности проведем эксперимент по разрушению резистора 68 Ом, рас-
считанного на 0,25 Вт. Резистор в этом эксперименте станет очень горя-
чим или даже загорится. Необходимо собрать схему согласно рис. 2.2.
► Задание
Включите питание и наблюдайте, что происходит с резистором. Будьте
готовы выключить питание, как только резистор начнет дымиться. За-
пишите ваши наблюдения и прокомментируйте. Резистор не трогайте
руками! Вытащить его необходимо плоскогубцами или подобным инст-
рументом.
+
15В _
68 Ом
0,25 Вт
резистор
Рис. 2.2. Схема для демонстрации недопустимости превышения мощности.
Глава 2. RC-цепи
► Задание
Рассчитайте мощность, которая рассеивалась резистором до разруше-
ния. Определите минимальный номинал сопротивления резистора, ко-
торый можно использовать в этой схеме. (При этом максимально допу-
стимая мощность у него должна быть 0,25 Вт.)
► Задание
Рассчитайте ток, который протекал по резистору до разрушения.
Следует заметить, что даже при низком напряжении и неболь-
шом токе наступило разрушение компонента схемы. Если такое прои-
зойдет в реальной большой схеме, это - авария. Для безопасной
работы электроники всегда рассчитывается рассеивание энергии на
каждом элементе схемы до ее включения. Все должны быть увере-
ны, что не произойдет превышения максимально допустимой мощ-
ности.
2.3. Потенциометр
как делитель напряжения
Делитель напряжения широко используется в различных схемах, поэто-
му необходимо познакомиться с этим устройством. Простейший дели-
тель напряжения состоит из двух резисторов, соединенных последова-
тельно (см. рис. 2.3). На вход подается напряжение Vin, на выходе
снимается напряжение Kut, которое меньше входного. В соответствии с
законом Ома:
В
Ии'" = А, + <213)
Потенциометр можно использовать в качестве изменяющегося де-
лителя напряжения, и вы должны с его помощью изучить работу дели-
теля напряжения.
Рис. 2.3. Три схемы делителя напряжения.
I Потенциометр
2.3. Потенциометр как делитель напряжения
Внимание! Если вы будете небрежны, вы можете легко сжечь по-
тенциометр! Выключите питание перед подключением схемы. Про-
верьте, чтобы скользящий контакт не был соединен с «землей». Если
вы подсоедините измерительный прибор в режиме «Ток» или «Сопро-
тивление» между скользящим контактом и другой точкой в схеме во
время подачи питания к схеме, потенциометр может разрушиться,
так как такая настройка прибора является коротким замыканием.
2.3.1. Делитель постоянного напряжения
Сначала с помощью измерительного прибора, настроенного на изме-
рение сопротивления, установите скользящий контакт потенциомет-
ра 10 кОм строго посередине. Измерительный прибор переключите
на измерение напряжения и подведите к потенциометру постоянное
напряжение +10 В. Подсоедините измерительный прибор к скользя-
щему контакту потенциометра и к «земле». Дважды проверьте соеди-
нения.
► Задание
Не сдвигая скользящий контакт и не изменяя номинал приложенного
напряжения, включите питание и измерьте напряжение между скользя-
щим контактом и «землей».
► Задание
Каково сопротивление резисторов А, и /?2? Используя уравнение дели-
теля напряжения (2.13), объясните, почему расчетное выходное напря-
жение должно быть +5 В. Соответствует ли измеренное напряжение
расчетному? Какова ошибка?
2.3.2. Делитель переменного напряжения
Рассмотрим, как работает делитель напряжения, если на схему подать
переменное напряжение. Подайте на потенциометр вместо +10 В сину-
соиду от функционального генератора.
► Задание
Получите изображение на дисплее осциллографа выходного сигнала
генератора функций и измерьте двойную амплитуду напряжения, амп-
литуду и г/ил-наиряжение. (Осциллограф устанавливается при этом в
режим «Измерение».) Измерьте на скользящем контакте потенциомет-
ра двойную амплитуду напряжения, амплитуду и rms-напряжение. Срав-
ните показатели делителя напряжения 7^/(7?, + R2) для постоянного
напряжения и для переменного напряжения.
Глава 2. RC-цепи
2.4. НС-цепь
Необходимо соединить резистор 10 кОм последовательно с керамичес-
ким конденсатором 0,01 цФ. Один вывод конденсатора подсоединяется
к «земле»; схема подключается к функциональному генератору, кото-
рый необходимо настроить на генерирование прямоугольного сигнала с
частотой 50 Гц (см. рис. 2.4). По каналу 1 осциллографа получите изоб-
ражение входного сигнала (выход функционального генератора) и по
каналу 2 — выходное напряжение схемы.
Рис. 2.4. Делитель напряжения в ЛС-цепи. Эта схема известна как низко-
частотный фильтр или как интегратор.
► Задание
Какаова амплитуда входного сигнала и выходного сигнала?
► Задание
Опишите форму выходного напряжения. Похожа ли она на экспо-
ненту:
V(t) = Vte и?
(2-14)
► Задание
Докажите, что время падения напряжения от максимума до 37% макси-
мума — это постоянная времени RC. Определите постоянную времени
RC с помощью осциллографа.
► Задание
Зная номиналы компонентов схемы, рассчитайте постоянную вре-
мени RC. Совпадает ли расчет с измерением? Каков допуск номи-
налов используемых компонентов? Объясняет ли это полученное
расхождение?
2.5. НС-схема как интегратор
Функциональный генератор нужно переключить с 50 Гц на 50 кГц. По-
наблюдайте, как изменились форма выходного сигнала и его амплиту-
да. Математически это можно объяснить уравнением (2.1):
(2-15)
(2.16)
(2-17)
(2-18)
где Kout — напряжение на конденсаторе. Уравнение верно, если
V , << V .
out in
► Задание
Если входное напряжение остается постоянным в течение каждого
полупериода, каким будет выходное напряжение (рассчитайте в со-
ответствии с уравнением (2.18)? Тщательно измерьте выходное на-
пряжение осциллографом. Сравните расчет и измерение и объясните
результат.
► Задание
Рассчитайте выходную амплитуду на 25 кГц. Измените частоту входного
сигнала и сравните измерение с расчетом.
► Задание
Приблизительно определите частоту, при которой уравнение (2.18) бу-
дет некорректным. Изменяйте частоту входного сигнала и проверьте
свой прогноз.
2.6. Низкочастотный фильтр
Теперь необходимо переключить функциональный генератор на сину-
соиду с частотой 50 кГц. Так как уравнение (2.18) на этой частоте имеет
силу, выходное напряжение должно быть интегралом входного напря-
жения, т.е. косинусом.
3 - 1902.
Глава 2. RC-цепи
► Задание
Что подразумевается под сдвигом фазы между входом и выходом? Ис-
пользуя курсор экрана осциллографа, измерьте А/ между точкой пересе-
чения входного сигнала О В и точкой пересечения выходного сигнала О В.
Сдвиг фазы между входом и выходом будет:
<0 = 360°^. (2.19)
► Задание
Совпадает ли ваше измерение с расчетом? Напряжение на конденсато-
ре запаздывает или опережает ток через него? Объясните.
Другой способ проанализировать данную схему — это рассмотреть ее
в качестве делителя напряжения. В уравнении (2.13) заменим сопротив-
ление R2 емкостной реактивностью Хс и (А, + R^ общим импедансом Z:
(2.20)
- у Хс
<2-21>
= v 1
^ + (wRC)2 (2-22)
Видно, что ослабление сигнала зависит от частоты.
► Задание
Какое затухание вы наблюдаете на частоте 50 кГц? Рассчитайте и срав-
ните с измерением.
На частоте половинной мощности^, wRC = 1, при этом затухание
составляет 1/-J2 = 0,101. А в децибелах затухание составляет 3 дБ. Со-
ответственно, f0 называют частотой 3 дБ. Она является основным пара-
метром фильтра.
► Задание
Изменяя частоту входного сигнала, получите амплитуду выходного сиг-
нала, составляющую 70,7% от амплитуды входного сигнала. Зафикси-
руйте эту частоту (^). Рассчитайте f0 и сравните расчет с измерением.
► Задание
Какое затухание и сдвиг фазы обеспечивает данный фильтр на низкой
частоте (например, 50 Гц)? Сделайте расчеты по формуле (2.22) и по
формуле (2.23); сравните расчеты и измерения.
2.7. RC-схема как дифференциатор
Ф = arctan---.
(2.23)
Сдвиг фазы на низких частотах трудно понять, так как конденсатор
на низких частотах можно представить незамкнутой цепью, и, таким
образом, он не влияет на выходной сигнал. На высоких частотах кон-
денсатор являет собой короткое замыкание на «землю», выходной сиг-
нал равен нулю.
2.7. НС-схема как дифференциатор
АС-схему необходимо изменить в соответствии с рис. 2.5, превратив ее
в дифференциатор напряжения. Входное напряжение — прямоуголь-
ный сигнал с частотой 50 Гц.
► Задание
Какая форма сигнала на выходе? Каковы амплитуды входного и выход-
ного сигналов?
Выходной сигнал представляет собой экспоненту с параметром RC,
т.е. дифференциал входного напряжения. В соответствии с уравнением
(2.16) получаем:
K,ut = IR, (2.24)
= (2.25)
= АС Д К°ц1); (2.26)
-RC^- (2-27)
Уравнение (2.27) корректно при Иц( « Ут.
Рис. 2.5. Высокочастотный фильтр или дифференциатор напряжения.
3*
Глава 2. RC-цепи
► Задание
Что будет означать уравнение (2.27) для пилообразного входного сигна-
ла? Попробуйте подать на вход пилообразный сигнал и сравните ваши
предположения с результатом эксперимента.
► Задание
Что будет означать уравнение (2.27) для синусоидального входного сиг-
нала? Попробуйте подать на вход синусоидальный сигнал и сравните
ваши предположения с результатом эксперимента.
2.8. Высокочастотный фильтр
► Задание
Какое затухание и сдвиг фазы вы наблюдали при подаче на вход схемы
синусоиды с частотой 50 Гц?
► Задание
А при частоте 50 кГц?
► Задание
Как изменился сдвиг фазы?
► Задание
Отличается ли f низкочастотного фильтра от f0 высокочастотного
фильтра? Сравните ваши наблюдения с результатами расчетов по
формулам:
Kout = Kta^; (2.28)
- у
<2’29>
v wRC
“ 7i+(^q2 ’ (2-30)
► Задание
Докажите, что на частоте ниже f0 выходная амплитуда линейно увели-
чивается с увеличением частоты (см. уравнение (2.30)). Произведите
несколько измерений для подтверждения этого утверждения.
2.9. Выводы
2.9. Выводы
Основные формулы для ЛС-фильтров:
Для высокочастотных фильтров:
Kout _ wRC
Kn 71 + (w«Q2 ’ (2-31)
tp = arctan-4—. (2.32)
wRC
Для низкочастотных фильтров:
V 1
r out __1_____.
Kn 71+mo2 ’ (2-33)
<p = arctan wRC. (2.34)
Рис. 2.6. Сдвиг фазы и величина выходного напряжения:
а — низкочастотный ЯС-фильтр;
б — высокочастотный ЯС-фильтр.
Глава 2. RC-цепи
Следует заметить, что на высоких частотах показатель делителя на-
пряжения стремится к бесконечности в первом случае и к нулю во вто-
ром случае, в то время как сдвиг фазы стремится к нулю в первом
случае и к 90° во втором случае. В обоих случаях частотаодна и та же:
w0RC = 1;
%..
2^’
(2.35)
(2-36)
1
2я/?С
(2.37)
Эти зависимости проиллюстрированы на рис. 2.6. Входное напряже-
ние с тремя частотами: fB, меньше f0 и больше f0 — имеет одну и ту же
амплитуду.
ГЛАВА 3
ДИОДЫ
Глава посвящена описанию полупроводниковых диодов и схем, в кото-
рых они используются. В отличие от резисторов, закон Ома в диодах не
применяется, так как зависимость тока и напряжения — экспоненци-
альная.
Требуемая аппаратура: макетная плата, один или два цифровых уни-
версальных измерительных прибора, диоды 1N914 и 1N4001, резисторы
100 Ом, 10 кОм на 0,25 Вт, 1 кОм на 2 Вт, трансформатор на 12,6 Brms,
мостовая диодная схема, электролитические конденсаторы 100 цФ и
1000 цФ.
3.1. Полупроводники
Ток, протекающий в какой-либо среде, — это поток носителей заряда.
Электрическое поле направляет их движение. В проводниках, таких как
медь, масса носителей заряда (электронов), готовых передвигаться в
электрическом поле. В изоляторах, таких как алмаз, практически нет
носителей заряда, все электроны прочно удерживаются в кристалличес-
кой решетке. Полупроводники, такие как кремний и германий, по сво-
им свойствам проводить ток находятся в промежуточном положении.
Проводимость полупроводников увеличивается легированием. У крем-
ния, например, четыре валентных электрона, у фосфора — пять, а у
Внутреннее электрическое поле
Рис. 3.1. Переход между полупроводниками я-типа и р-типа.
о Дыра
• Свободные электроны
I, алюминий
Мышьяк, фосфор
Глава 3. Диоды
Рис. 3.2. Схема образования тока в диоде.
бора — три. Если в кристалл кремния вместо атома кремния поместить
атом фосфора, то один электрон фосфора не будет связан валентными
связями и сможет покинуть кристаллическую решетку. Если в кристалл
кремния вместо атома кремния поместить атом бора, то одна валентная
связь бора будет свободна и способна будет захватить свободный элек-
трон. В первом случае получается полупроводник и-типа, во втором —
p-типа. Если к полупроводнику и-типа приложить электрическое поле,
то свободные электроны образуют поток отрицательного заряда. Если к
полупроводнику p-типа приложить электрическое поле, то «дыры» об-
разуют поток положительного заряда. Если в одном кристалле создать
зоны двух типов полупроводников, то свободные электроны из одной
зоны могут занимать «дыры» другой зоны. Между зонами образуется
переход (см. рис. 3.1).
Если внешнее электрическое поле совпадает с внутренним полем, то
вокруг перехода образуется обедненная зона — свободные электроны и
«дыры» покинут ее в противоположных направлениях (см. рис. 3.2). А
если внешнее электрическое поле будет противоположным внутреннему
полю, свободные электроны и «дыры» будут двигаться к переходу. Полу-
проводниковый диод — это прибор, основанный на свойствах ри-перехо-
да легированного кремния (см. рис. 3.2). Металлический электрод по-
ставляет в л-зону свободные электроны, которые после прохождения
перехода соединяются с «дырами».
Ток в диоде определяется уравнением:
с|--’
/=75(е"*г-1), (3.1)
где / — ток насыщения, е — заряд электрона, V— напряжение на переходе,
п — эмпирический коэффициент, к — постоянная Больцмана, Т темпе-
ратура перехода в градусах Кельвина. Для упрощения п = 1. Рисунок 3.3
иллюстрирует формулу (3.1).
3.2, Типы диодов
Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого
диодов.
В случае если напряжение в материале p-типа более положительное,
в отличие от материала и-типа, то диод является прямо смещенным
(И> 0). В случае если напряжение в материале p-типа более отрицатель-
ное, в отличие от материала и-типа, то диод является обратно смещен-
ным (V< 0) (см. рис. 3.3).
Некоторые упрощения
В прямо смещенном диоде, когда напряжение намного больше 100 мВ,
единицей в уравнении (3.1) можно пренебречь:
сУ
I~IsekT.
(3.2)
В обратно смещенном диоде, когда напряжение намного больше —
100мВ, влияние экспоненты незначительное, поэтому реверсивный ток
будет:
1~-1.
S
(3.3)
3.2. Типы диодов
Кроме стандартных диодов с ир-переходом, сконструированы неко-
торые специализированные диоды, например светоизлучающие ди-
оды Шотки, в которых ир-переход выполнен из GaAsP. Данный пе-
реход функционирует так же, как переход в кремнии, только в прямо
смещенном состоянии диод излучает свет — инфракрасный, крас-
Глава 3. Диоды
Рис. 3.4. Маркировка диодов.
ный, оранжевый, желтый, зеленый или голубой. Кроме того, паде-
ние напряжения прямого смещения в два раза больше, чем у обыч-
ных диодов.
Диоды Шотки обладают еще одним полезным свойством: они спо-
собны функционировать в режиме обратного смещения, в то время как
обычные диоды разрушаются при определенном напряжении обратно-
го смещения (напряжении пробоя). Более того, диоды Шотки исполь-
зуются в основном в режиме пробоя. Рабочее напряжение пробоя уста-
навливается в процессе легирования полупроводника. Обычно оно
составляет 75 В. Металлический проводник подсоединяется к полупро-
воднику и-типа, и электроны стекают на него. Диоды Шотки обладают
высоким быстродействием и низкой емкостью.
Большинство диодов представляют собой маленький цилиндр с двумя
выводами (см. рис. 3.4). Для определения назначения каждого вывода кор-
пус диода маркируется символом диода или иногда цветное кольцо на
корпусе возле одного вывода указывает на катод (см. рис. 3.4). Изготовите-
ли диодов предоставляют потребителям сертификат, в котором указаны
максимальный ток, напряжение прямого смещения, ток утечки, напряже-
ние пробоя, скорость переключения диодов (см. табл. 3.1).
Таблица 3.1. Параметры диодов
Тип Назначение Макси- мальная мощность, Вт Максималь- ный ток прямого смещения, А Максимальное напряжение прямого смеще- ния и соответству- ющий ток, В & А Напря- жение пробоя, В Емкость, пФ
1N914 Малые сигналы 0,5 0,3 1,0 & 0,01 75 4,0
1N4001 Выпрямители 1,0 1,1 & 1,0 50 8,0
1N4004 Выпрямители 1,0 1,1 & 1,0 400 8,0
1N5402 Выпрямители 3,0 1,1 & 3,0 200 40
FR601 Быстро- действующий выпрямитель 6,0 1,3 & 6,0 50 200
MBD301 Диод Шотки 0,28 0,1 0,6 & 0,01 30 1,0
1N4733A Диод Зенера (стабилитрон) 1,0 1,2 & 0,2 5,1
3.5. Измерение характеристик диода
3.3. Выпрямители
Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменный ток в
постоянный. Диод является универсальным прибором для осуществле-
ния такого преобразования. При напряжении прямого смещения диод
обладает практически нулевым сопротивлением, не зависящим от вели-
чины тока. При напряжении обратного смещения диод обладает прак-
тически бесконечным сопротивлением, ток не течет (см. рис. 3.3). Ми-
нимальное напряжение прямого смещения кремниевых диодов
составляет 600 мВ, а германиевых 300 мВ.
3.4. Динамическое сопротивление диода
Динамическое сопротивление диода определяется дифференцировани-
ем уравнения (3.1):
di
dV
eV
= — HekT.
kT s
(3-4)
Отсюда динамическое сопротивление будет:
dV = кТ/е
dI = Iefr’ С3-5)
-кт/е (3 61
-—— • (3.6)
Так как при комнатной температуре Т = 300 К, то можно сделать
упрощения:
е 1,6x10 19 С 1
---=----------------------= 39 v ~Н 71
кТ (1,38хЮ'23//К)хЗООЛ 25 м В V''
Следовательно, динамическое сопротивление прямо смещенного
диода составляет:
dV ~ 25мВ
di I
(3-8)
3.5. Измерение характеристик диода
Как и раньше, необходимо соблюдать определенные правила, чтобы не
сжечь потенциометр 1 кОм: перед началом монтажа схемы необходимо
выключить питание, дважды проверить корректность монтажа.
Внимание! Применяемый в схеме диод легко разрушается при пря-
мом токе больше 50 мА.
Глава 3. Диоды
Рис.3.5. Схема для измерения характеристик диода.
► Задание
Для схемы, изображенной на рис. 3.5, рассчитайте максимальный ток и
максимальную мощность рассеивания на резисторе 100 Ом. Можно ли
применять в этой схеме резистор на 0,25 Вт?
► Задание
Для диода 1N914 измерение его характеристик производится по схеме
на рис. 3.5: напряжение нужно увеличивать по шагам от нуля до 100мВ
и записывать для каждого значения напряжения ток на диоде.
► Задание
Постройте график зависимости тока от напряжения по результатам эк-
сперимента. Используйте линейную шкалу осей координат. Соответ-
ствует ли график уравнению (3.1)?
Если прологарифмировать уравнение (3.2), получим:
ln/ = lnZs+ — V.
s кТ
(3.9)
3.6. Изучение процесса выпрямления переменного тока
► Задание
Постройте график зависимости In I от напряжения. Получается ли ли-
нейный график? Как наклон графика связан с показателем е/кТ'. Како-
му значению п из уравнения (3.1) соответствует наклон графика?
► Задание
Теперь на диоде необходимо изменить напряжение на реверсивное и
установить номинал 5 В. Какой реверсивный ток вы наблюдаете? Как
этот ток согласуется с током насыщения для кремниевого диода?
► Задание
Отсоедините универсальный измерительный прибор (или осциллограф).
Какой ток вы наблюдаете? Подсоедините прибор обратно и отсоедини-
те диод. Какой ток в схеме? Что вы можете сказать о входном сопротив-
лении прибора? Поясните возможность применения закона Ома к за-
висимости устанавливаемого вами напряжения и наблюдаемого тока.
Можете ли вы сказать, почему идеальный вольтметр должен иметь
бесконечное сопротивление, а идеальный амперметр нулевое сопро-
тивление?
3.6. Изучение процесса выпрямления
переменного тока
Большинство электронных систем нуждается в источниках постоянно-
го тока. В портативных устройствах используются батареи, а большин-
ство стационарного электронного оборудования укомплектовано источ-
никами питания, в которых происходит понижение напряжения сети и
его выпрямление. Стандартная электрическая сеть 220 В/50 Гц — это
переменное напряжение с частотой 50 Гц и напряжением rms 220 В.
Амплитуда такого напряжения вычисляется по формуле:
Ио =72x2305 = 3406 (3.10)
или
K>=V2Krms. (3.11)
► Задание
Смонтируйте схему, изображенную на рис. 3.6а. В качестве сопротивле-
ния нагрузки Rl используйте резистор 10 кОм. Получите изображение
выходного напряжения на дисплее осциллографа. Измерьте амплитуду
выходного напряжения и rms напряжение. Проверьте формулу (3.11).
Следует заметить, что из-за омического сопротивления обмоток транс-
форматора измерение не будет совпадать с расчетом.
Глава 3. Диоды
Рис. 3.6. Трансформатор на 25 В:
а — схема;
б — диаграмма напряжения на выходе схемы.
► Задание
Чтобы получить полупериодное выпрямление напряжения, добавьте в
схему диод 1N4001 согласно схеме на рис. 3.7а.
► Задание
С помощью осциллографа измерьте амплитуду выходного напряжения схемы.
► Задание
Сравните амплитуды двух измерений. За счет чего уменьшилось напря-
жение? Совпадает ли результат с расчетами? Объясните.
► Задание
Измерьте среднее напряжение VAN на нагрузке вольтметром постоянно-
го тока. Проверьте формулу среднего напряжения для полупериодного
выпрямителя:
(3.12)
► Задание
Добавьте в схему фильтрующий конденсатор, подключите его парал-
лельно нагрузке в соответствии со схемой на рис. 3.8а.
► Задание
Каково максимально допустимое напряжение вашего конденсатора? Убе-
дитесь, что оно больше напряжения в схеме!
3.6. Изучение процесса выпрямления переменного тока
Трансформатор
Рис. 3.7. Трансформатор с полупериодным выпрямлением:
а — схема;
б — диаграмма напряжения на выходе схемы.
Рис. 3.8. Полупериодный выпрямитель со сглаживающим фильтром:
а — схема;
б — диаграмма напряжения на выходе схемы;
в — упрощение диаграммы напряжения на выходе схемы.
Глава 3. Диоды
► Задание
Измерьте пульсации напряжения на выходе схемы (см. рис. 3.86). Обра-
тите внимание на настройку осциллографа по вертикали, так как произ-
водится измерение малых сигналов и точность измерения очень важна.
Упрощение диаграммы выходного напряжения схемы (см. рис. 3.8в)
обусловлено предположением того, что конденсатор заряжается до мак-
симального приложенного напряжения мгновенно и разряжается с по-
стоянной скоростью dQjdt, равной среднему току на нагрузке. Средний
ток на нагрузке можно определить, зная сопротивление резистора Д,
измерив среднее напряжение на нагрузке и используя формулу: Q = CV.
► Задание
Рассчитайте пульсации выходного напряжения и сравните с измерени-
ями. Каков процент различия? Совпадает ли этот процент с допусками
на номинал компонентов схемы? Объясните.
► Задание
Замените электролитический конденсатор 100 цФ на конденсатор
1000 р.Ф. Рассчитайте пульсации выходного напряжения схемы с но-
вым конденсатором. Они уменьшились или увеличились? Объясните.
► Задание
Измерьте пульсации выходного напряжения схемы и сравните их с рас-
четами.
Двухполупериодное выпрямление должно уменьшить пульсации
вдвое. Такое выпрямление можно получить, подключив два диода к
центральной отводке вторичной обмотки трансформатора или исполь-
зуя мостовую диодную схему. Мостовая схема выпрямителя выпускает-
ся единым модулем с четырьмя диодами внутри. Как правило, маркиру-
ются четыре вывода модуля таким образом: «~» — выводы нужно
подсоединить к вторичной обмотке трансформатора, «+» и «—» — обо-
значают полярность выходного напряжения (см. рис. 3.9).
Диодный мост
0-000-0 | | 0-0-00-0
Рис. 3.9. Пример монтажа модуля мостовой диодной схемы на макетной
плате.
3.6. Изучение процесса выпрямления переменного тока
Рис. 3.10. Двухполупериодный выпрямитель на основе мостовой схемы.
Рис. 3.11. Полноволновой выпрямитель:
а — схема полноволнового выпрямителя с конденсатором в
качестве фильтра;
б — форма сигнала на выходе схемы.
► Задание
Осуществите сборку мостового выпрямителя в соответствии со схемой на
рис. 3.10. Если у вас нет модуля диодного моста, соберите его из отдель-
ных диодов. Как и ранее, проведите все измерения на выходе схемы.
► Задание
Добавьте сглаживающий конденсатор в соответствии со схемой на
рис. 3.11а. Измерьте среднее напряжение на нагрузке и пульсации.
► Задание
Замените резистор нагрузки 10 кОм на резистор 1 кОм на 2 Вт.
4 - 1902
Глава 3. Диоды
► Задание
Рассчитайте пульсации напряжения на выходе для этого резистора, срав-
ните с пульсациями для предыдущего резистора нагрузки.
В полных схемах выпрямителей для снижения зависимости выход-
ного напряжения и пульсаций от сопротивления нагрузки применяется
обратная связь. Обычно в ней используются стабилитроны (диоды Зе-
нера) для регулирования выходного напряжения. Но наиболее эффек-
тивно регулирование выходного напряжения осуществляется транзис-
торными регуляторами (интегральные схемы серий 7800 и 7900).
3.7. Входной и выходной
импеданс выпрямителя
Для анализа схем широко применяются эквивалентные схемы Теве-
нина. Например, эквивалентной схемой измерительного прибора во
время измерения напряжения является резистор с очень большим со-
противлением, параллельный идеальному вольтметру (см. рис. 3.5).
Общее сопротивление схемы, импеданс, учитывает резистивное со-
противление, емкостную и индуктивную реактивность. Входной им-
педанс — это общее сопротивление схемы со стороны входа. Анало-
гично, выходной импеданс — это общее сопротивление схемы со
стороны выхода (см рис 3.12). Попробуем определить выходной им-
педанс двухполупериодного выпрямителя.
► Задание
Используя результаты ваших измерений по формуле:
(3.13)
рассчитайте выходной импеданс схемы выпрямителя в омах.
Рис. 3.12. Эквивалентная схема Тевенина двухполупериодного выпрямителя.
3.7. Входной и выходной импеданс выпрямителя
► Задание
Определите выходной импеданс генератора функций в составе макет-
ной платы, измерив амплитуды выходного синусоидального напряже-
ния сначала без нагрузки, а затем с нагрузкой 1 кОм.
Если выходной импеданс генератора от частоты практически не за-
висит, то его можно признать чисто резистивным. Эквивалентная схема
генератора функций будет состоять из идеального источника перемен-
ного напряжения, последовательно соединенного с единичным резис-
тором.
► Задание
Проверьте выходной импеданс на низких и высоких частотах (50 Гц и
50 кГц) и оцените, зависит ли он от частоты.
► Задание
Нарисуйте эквивалентные схемы Тевенина вольтметра, выпрямителя и
функционального генератора.
4*
ГЛАВА 4
БИПОЛЯРНЫЕ
ТРАНЗИСТОРЫ
Начиная с 1947 г. транзисторы и интегральные схемы, основу которых
составляют также транзисторы, постепенно становятся основными ком-
понентами всех электронных устройств.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, два универсаль-
ных измерительных прибора, транзисторы 2N3904 и 2N3906, один све-
тодиод с излучением красного света, кремниевый диод 1N914, два ре-
зистора 330 Ом, два резистора 10 кОм, по одному резистору 100 Ом,
1 кОм, 3,3 кОм, 22 кОм, 100 кОм на 0,25 Вт и конденсатор 1 р.Ф.
4.1. Биполярные транзисторы (BJT)
Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых
материалов разного типа и, соответственно, двух ри-псрсходов на од-
ном кристалле (см. рис. 4.1а). Слой p-типа, расположенный между
двумя слоями и-типа, — это база транзистора. Соответственно, край-
ние слои (и-типа) образуют эмиттер и коллектор транзистора. Это би-
полярный транзистор лрл-типа. Существует второй тип биполярных
транзисторов — рир-типа (см. рис. 4.1). Проволочные выводы соеди-
няются с каждой зоной. Условные обозначения биполярных транзис-
торов ири-типа и рир-типа представлены на рис. 4.16.
Рис. 4.1. Биполярные транзисторы ири-типа и рир-типа:
а — конструкции;
б — условные обозначения.
4.1. Биполярные транзисторы (BJT)
Самое простое объяснение принципа работы транзистора: малень-
кий ток, поступающий на базу, управляет большим током, текущим на
коллектор. Оба тока, на базе и на коллекторе, вытекают из эмиттера
(для ири-типа транзистора). Для рпр-типа транзистора наоборот: ма-
ленький ток из базы управляет большим током, текущим из коллекто-
ра, оба тока текут к эмиттеру. Отношение тока на коллекторе к току
базы называется коэффициентом усиления по току fi, обычно он лежит
в диапазоне от 20 до 300.
Более точно будет сказать, что транзистор — это управляемый на-
пряжением источник тока: небольшое изменение напряжения на базе
вызывает большое изменение тока на коллекторе. Такие устройства на-
зываются управляемыми напряжением усилители тока, которым соот-
ветствует параметр gm — проводимость. Единица ее измерения — сименс
(= 1/Ом).
В биполярных транзисторах ирл-типа два его перехода можно рас-
сматривать как прямо смещенный диод база-эмиттер и обратно сме-
щенный диод база-коллектор (см. рис. 4.2). Положительно заряженный
коллектор истощает переход база-коллектор, и на нем наблюдается только
маленький термальный ток. Однако, когда электроны из эмиттера по-
ступают в область базы, коллектор их притягивает, и ток протекает до
вывода коллектора. Тем временем гораздо меньший ток из дыр движет-
ся от базы к коллектору, обеспечивая небольшой ток на вывод базы.
В то же самое время вывод эмиттера поставляет электроны на эмиттер,
который поступает на переход база-эмиттер. 99% электронов с эмитте-
ра поступает на базу и далее на коллектор, и только 1% выходит из
базы. Это объясняет большой коэффициент усиления по току. Кроме
того, зона полупроводника возле базы делается легко легированной.
Обедненная
Электрическое поле (зона Электрическое поле,
• Свободные электроны
о Дыра
Рис. 4.2. Конструкция транзистора яря-типа.
Глава 4. Биполярные транзисторы
Таблица 4.1. Характеристики некоторых биполярных транзисторов
Марка Тип Назначение Макс, ток коллектора, А Коэф, усиления, р Скорость переключения, МГц Макс, мощность, Вт Цена, $
2N3904 прп Общего назначения 0,20 100-300 300 0,625 0,06
2N3906 рпр Общего назначения 0,20 100-300 250 0,625 0,06
2N5089 прп Общего назначения 0,05 450-1800 50 0,625 0,14
2N2369 прп Переключатели 0,20 40-120 500 0,4 1,40
2N5415 рпр Схемы большой мощности 1 0 30-150 10 0,99
TIP102 прп Пара Дарлингтона 8,0 1000-2000 80 0,69
MJ10005 прп Пара Дарлингтона 20 50-600 175 6,90
Так как переход база-эмиттер подчиняется экспоненциальному за-
кону зависимости тока от напряжения, 1юбольшое изменение напряже-
ния база-эмиттер вызывает большой ток на коллекторе. Таким образом,
транзистор можно использовать в качестве усилителя.
Следует заметить, что коэффициент усиления по току /Здля транзисто-
ров одной и той же серии может иметь различное значение (см. табл. 4.1).
Кроме того, р зависит от температуры, тока на коллекторе и напряже-
ния коллектор-эмиттер.
4.1.1. Основные определения
Прежде чем рассматривать функционирование транзисторных схем,
необходимо определить основные параметры транзисторных схем и их
зависимость.
Напряжение база-эмиттер — это потенциал базы относительно эмиттера:
у = V - V
*ВЕ В ГЕ
Напряжение коллектор-база — это потенциал коллектора относи-
тельно базы:
у = у - у
*СВ ГС В-
Напряжение коллектор-эмиттер — это потенциал коллектора отно-
сительно эмиттера:
У = V - V
СЕ С Е'
В соответствии с законом Кирхгофа:
^СЕ = ^Е + ^СВ- (4.1)
Для транзисторов лрл-типа все разницы потенциалов положитель-
ные (при нормальном режиме функционирования).
4.1. Биполярные транзисторы (BJT)
лрл-типа.
Рис. 4.3. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора
Ток на коллектор /с.
Ток из эмиттера /Е.
Ток на базу /в.
4 = 4 + 4- (4-2)
Для транзисторов лри-типа все токи положительные (при нормаль-
ном режиме функционирования).
Зависимость токов от напряжений в транзисторах обычно выража-
ется в виде графиков вольт-амперных характеристик (см. рис. 4.3).
4.1.2. Анализ транзисторных схем
При анализе транзисторных схем используется математическая модель
Эберса—Молла. При этом считается, что ток на коллекторе — в миллиам-
перном диапазоне, а напряжение база-эмиттер постоянное и составляет
700 мВ. Кроме того, база обладает высоким импедансом, а эмиттер —
низким. Таким образом, изменение напряжения на базе вызывает соот-
ветственное изменение напряжения на эмиттере. Другими словами, на-
пряжение на базе управляет напряжением на эмиттере.
Так как коэффициент усиления большой, ток на коллекторе при-
близительно равен току на эмиттере. Так как импеданс коллектора обыч-
но выше импеданса базы, то в состоянии покоя, согласно закону Ома,
некоторое напряжение падает на коллекторе.
4.1.3. Модель транзистора Эберса—Молла
Согласно математической модели транзистора Эберса—Молла, величи-
на тока на коллекторе определяется величиной прямого смещения на
переходе база-эмиттер:
Иге
7С = 7s(e - 1). (4-3)
56 Глава 4. биполярные транзисторы
Кроме того:
Динамическое сопротивление эмиттера
Так как ток эмиттера равен току коллектора, уравнение (4.3) определя-
ет и ток эмиттера. Следовательно, его можно использовать для опреде-
ления динамического сопротивления эмиттера ге:
(4.5)
Динамическое сопротивление объясняет, как для фиксированного
напряжения на базе, напряжение на эмиттере будет изменяться в зави-
симости от изменения тока на эмиттере. Для определения ге продиффе-
ренцируем уравнение (4.3) для фиксированного напряжения на базе:
(4.6)
Получаем омическое сопротивление эмиттера. Обычно оно состав-
ляет несколько ом.
Динамическое сопротивление базы
Если напряжение на эмиттере оставить фиксированным, можно опре-
делить из уравнений (4.3) и (4.4) динамическое сопротивление базы
относительно эмиттера:
Видно, что переход база-эмиттер имеет низкое сопротивление со
стороны эмиттера и высокое сопротивление со стороны базы (в р раз/
Некоторые полезные упрощения
При комнатной температуре динамическое сопротивление эмиттера
составляет:
25мВ
(4.8)
(4.9)
Так как у эмиттера низкий импеданс, напряжение на нем сильно
зависит от тока на нем. У базы высокий импеданс (в 100 раз больше
импеданса эмиттера), поэтому сигнал подается на базу.
4.2. Эксперименты
Сопротивление резистора на эмиттере определяется из уравнения:
Р (г + Re) = rBE + pRf.
Обычно сопротивление эмиттера намного меньше /ф, и им можно
пренебречь.
4.2. Эксперименты
4.2.1. Проверка транзисторов
Так как транзистор состоит из двух ир-переходов, проще всего прове-
рить транзистор, измерив сопротивление переходов в прямом и обрат-
ном направлении. Это можно сделать с помощью омметра. Однако в
конструкции нашего цифрового измерительного прибора нет омметра,
но зато есть функция тестирования диодов. В этом режиме прибор по-
казывает пороговое напряжение (600 мВ) на переходе диода. Чтобы про-
тестировать /?р-переход диода или транзистора, необходимо прибор ус-
тановить в режим, обозначенный символом диода. При тестировании
диода анод подсоединяется к зажиму прибора «VQ» и катод к зажиму
«общий». Диод при этом будет прямо смещенным.
► Задание
Протестируйте переходы база-коллектор и база-эмиттер транзисторов
2N3904 (при) 2N3906 (рпр) при прямом и обратном смещении. Запиши-
те результаты.
Следует заметить, что эти транзисторы выпускаются в корпусе ТО-92.
Выводы базы, эмиттера и коллектора определяются в нем в соответ-
ствии с рис. 4.46.
Если проверяемый транзистор исправен, на каждом его переходе в
прямом направлении прибор покажет 700 мВ, а в обратном — О В.
4.2.2. Эмиттерный повторитель
Схема эмиттерного повторителя представлена на рис. 4.5. Эта схема
называется так потому, что напряжение на эмиттере повторяет все из-
менения напряжения на базе, при этом разница потенциалов база-эмит-
Рис. 4.4. Транзистор как два диодных перехода; выводы корпуса ТО-92.
Глава 4. Биполярные транзисторы
Рис. 4.5. Эмиттерный повторитель:
а — схема;
б — эквивалентная схема.
б)
10 кОм
резистор
v,n—W-
RB
Эмиттерный
повторитель
тер (ИВЕ) всегда остается постоянной (0,7В). Коэффициент усиления по
напряжению в этом усилителе равен 1, но коэффициент усиления по
току существенный. При этом эмиттерный повторитель обладает высо-
ким входным импедансом и низким выходным импедансом. Такие свой-
ства усилителя позволяют применять его в буферных каскадах.
► Задание
Токи на базе и на коллекторе можно определить, измерив падение на-
пряжения на резисторах RB и RE (см. рис. 4.5а). Определите коэффици-
ент усиления по току в вашем транзисторе простым делением тока на
коллекторе на ток базы.
► Задание
Теперь на вход усилителя необходимо подать синусоиду от функцио-
нального генератора. Сравните входной сигнал и выходной сигнал. Срав-
ните амплитуды. Измерьте ИВЕ.
Резистор на базе 330 Ом соединен последовательно с входным со-
противлением гВЕ + ДТ?Е, поэтому он мало влияет на входной сигнал.
Его назначение в схеме — гасить шумы, вызванные паразитной индук-
тивностью проводников и паразитной емкостью между базой и эмитте-
ром. Если вы сомневаетесь в этом, отключите этот резистор и посмот-
рите, что произойдет.
► Задание
Измерьте входной импеданс. Для этого на базе замените резистор на
10 кОм (см. рис. 4.56) и измерьте уменьшение амплитуды на одном
конце резистора относительно другого. Объясните, основываясь на идее
делителя напряжения, как это определяет входное сопротивление.
+ 15 В
Vout
3,3 кОм
а) 15 В
Рис. 4.6. Эмиттерный повторитель:
а — схема для измерения выходного импеданса;
б — эквивалентная схема.
б)
► Задание
Измерьте выходной импеданс. Для этого добавьте разделительный кон-
денсатор и сопротивление нагрузки, как показано на рис. 4.6а, и опре-
делите выходной импеданс по небольшому уменьшению амплитуды
выходного напряжения (см. рис. 4.66).
Разделительный конденсатор позволяет сопротивлению нагрузки
влиять на сигнал переменного тока без изменения смещения на транзи-
сторе.
► Задание
Объясните, что произойдет с напряжением на эмиттере, если отклю-
чить разделительный конденсатор.
Использование разделительного конденсатора позволяет схеме ра-
ботать с сигналами порядка / В, не прикладывая большого реверсивно-
го напряжения на конденсаторе.
► Задание
Как измеренные импедансы соответствуют вашим расчетам?
Входной импеданс должен быть в Д раз больше сопротивления рези-
стора на эмиттере, а выходной импеданс должен быть равен динами-
ческому сопротивлению эмиттера.
4.2.3. Усилитель с общим эмиттером
Усилитель с общим эмиттером — широко распространенная схема. На-
звание свое он получил из-за того, что эмиттер соединен и со схемой на
входе усилителя, и со схемой на выходе (см. рис. 4.7).
Глава 4. Биполярные транзисторы
R, = 100 кОм
R2 = 10 кОм
Rc = 10 кОм
Re = 1 кОм
Рис. 4.7. Усилитель с общим эмиттером.
► Задание
Рассчитайте и измерьте напряжение покоя на базе, эмиттере и коллек-
торе (т.е. когда отсутствует входной сигнал).
1. Определите напряжение покоя на базе, используя закон Ома для
делителя напряжения:
2. Определите ток на эмиттере, используя закон Ома для резис-
тора на эмиттере и предварительно рассчитав падение напряжения
база/эмиттер УВЕ:
г _УВ-У№
Е Rc
3. Определите напряжение покоя на коллекторе, используя закон
Ома для резистора на коллекторе:
К . = Кг — /,/?..
out СС С у
► Задание
Сравните ваши измерения и расчеты. Посчитайте процент несовпаде-
ния. Как он связан с допуском на номинал резисторов и неопределен-
ностью р и КВЕ?
► Задание
Используя измеренные напряжения, рассчитайте токи на базе, коллек-
торе и эмиттере.
4.2. Эксперименты
► Задание
Рассчитайте изменение напряжения покоя на базе, используя величину
тока на базе. Необходимо исходить из предположения, что ток базы
протекает по делителю напряжения (входной импеданс параллелен ре-
зистору /?2).
Применяя закон Ома для резисторов на эмиттере и коллекторе, можно
понять, как происходит усиление в данной схеме:
ДК , = ~~А/./С = —A/.R;
out С С Ь с’
,, дк дк дк, <4ло>
Следовательно: дк- = (4.П)
► Задание
Рассчитайте коэффициент усиления напряжения и сравните его с рас-
четами.
► Задание
Является ли этот усилитель инвертирующим?
► Задание
Посмотрите на сигнал на эмиттере и объясните, что вы видите.
► Задание
Заведите на вход пилообразный сигнал. Наблюдается ли некоторое ис-
кажение сигнала на выходе? Искажения могут быть вызваны изменени-
ем сопротивления эмиттера, но эффект очень маленький, так как оно
последовательно с резистором 1 кОм на эмиттере. Оцените этот эффект
по математической модели транзистора Эберса—Молла.
В усилителе с заземленным эмиттером коэффициент усиления по
напряжению больше, но вносятся искажения выходного сигнала из-за
того, что между эмиттером и «землей» только сопротивление эмиттера.
4.2.4. Коллектор как источник тока
Так как переход база-коллектор обратно смещенный, коллектор обла-
дает очень высоким импедансом. Это означает, что коллектор может
быть источником тока — устройством, на выходе которого ток постоян-
ный независимо от напряжения. Схема такого источника тока изобра-
жена на рис. 4.8. Чтобы проверить это, понадобятся два измерительных
Глава 4. Биполярные транзисторы
Рис. 4.8. Транзисторный источник тока.
прибора или один измерительный прибор и осциллограф. Начать надо
с измерений напряжения на резисторе нагрузки. Установите на месте
резистора нагрузки потенциометр 10 кОм. Для начала необходимо уста-
новить нулевую нагрузку.
► Задание
Какой ток коллектора должен быть? Подтверждают ли ваши измерения
напряжения на эмиттере расчеты?
► Задание
Постепенно увеличивайте сопротивление нагрузки до тех пор, пока ток
не начнет уменьшаться. Измерьте при этом напряжение на коллекторе.
Как это согласуется с определением источника тока (т.е. с тем утверж-
дением, что ток должен быть постоянным)?
► Задание
Когда ток начинает падать, каково соотношение напряжений на кол-
лекторе и на базе? Вы должны были наблюдать насыщение транзисто-
ра: когда напряжение коллектор-эмиттер меньше напряжения база-эмит-
тер, схема перестает быть источником тока, так как переход
коллектор-база становится прямо смещенным и его импеданс умень-
шается.
Этот феномен объясняется тем, что, когда транзистор насыщается,
коэффициент усиления по току р резко уменьшается, так как база оття-
гивает ток от коллектора.
► Задание
Измеряйте падение напряжения на резисторе базы, увеличивая понем-
ногу сопротивление нагрузки. Определите несколько р. Вы убедитесь,
что транзистор насыщался все больше и больше. Постройте график за-
висимости р от напряжения коллектор/эмиттер.
4.2. Эксперименты
4.2.5. Транзисторный переключатель
Такое свойство транзистора, как насыщение, используется в транзис-
торных переключателях. Схема транзисторного переключателя изобра-
жена на рис. 4.9. В схеме присутствует светоизлучающий диод, который
включается, если на вход поступает +5 В, и выключается, если сигнал
отсутствует.
Рис. 4.9. Транзисторный переключатель.
Следует заметить, что транзистор с общим эмиттером подсоединен
как инвертор. Это означает, что высокий уровень напряжения на его
входе (на резисторе базы) вызывает низкий уровень напряжения на
выходе (на коллекторе). При включении схемы транзистор насыщается.
При этом он рассеивает очень небольшую энергию, так как, когда он
открывается, напряжение на нем очень маленькое, а когда закрывается,
ток равен нулю.
► Задание
Каковы токи базы и коллектора, если транзистор открыт? Для опреде-
ления токов измерьте падение напряжения на резисторах базы и кол-
лектора.
► Задание
Каково напряжение насыщения вашего транзистора? Какое при этом
напряжение на светоизлучающем диоде?
► Задание
Приблизительно какой коэффициент усиления тока Д должен быть у
транзистора при насыщении, если на вход подается +5 /?.’
Глава 4. Биполярные транзисторы
► Задание
Запустите переключатель подключением к выходу «TTL» функцио-
нального генератора («цифровые» прямоугольные импульсы с часто-
той 100 кГц). С помощью осциллографа измерьте задержки включе-
ния и выключения в наносекундах.
Относительно небольшая задержка насыщения объясняется тем, что
на базе накапливается заряд. Из-за того, что скорость переключения
очень высокая, не хватает времени стекать этому заряду. Скорость пе-
реключения транзистора 2N2369 составляет 1400 МГц.
4.3. Дополнительные эксперименты
4.3.1. Пара Дарлингтона
Чтобы обеспечить высокий входной импеданс и уменьшить входной
ток (на базе), применяется каскад из двух последовательно соединен-
ных транзисторов. Эта так называемая пара Дарлингтона функциони-
рует как один транзистор, у которого двойной коэффициент усиления
тока и падение напряжения база/эмиттер равны сумме двух ИВЕ. Схема
пары Дарлингтона изображена на рис. 4.10.
► Задание
Измерьте ток покоя на резисторах базы и эмиттера. Как эти величины
влияют на р пары Дарлингтона?
► Задание
Теперь нужно подать входной сигнал. Что вы наблюдаете на выходе?
Каково падение напряжения между входом и выходом?
Рис. 4.10. Пара Дарлингтона.
4.3. Дополнительные эксперименты
► Задание
Входной импеданс должен быть настолько большим, чтобы невозмож-
но было увидеть уменьшение амплитуды сигнала на резисторе 10 кОм.
Проверьте это утверждение. Какой минимальный входной импеданс дол-
жен быть? Почему?
Пары Дарлингтона монтируются в один корпус с тремя выводами.
Коэффициент усиления тока Д обычно составляет 100000. Пары Дар-
лингтона используются в основном в сочетании с мощными транзисто-
рами, у которых р обычно около 20. Общий р при этом бывает 500.
4.3.2. Двухтактный усилитель
Чтобы обеспечить низкий выходной импеданс, используется двух-
тактный каскад. Он состоит из двух эмиттерных повторителей, один
лрд-типа, другой /шд-типа, скомпонованных так, что первый вклю-
чается в один полупериод, а другой во второй полупериод.
► Задание
Подключите динамик макетной платы (импеданс которого обычно со-
ставляет 8 Ом) к функциональному генератору. Амплитуду необходимо
установить максимальную, а частоту — / кГц. Измерьте амплитуду фун-
кционального генератора с подключенным динамиком и без него. Ка-
кое затухание наблюдается? Выходной импеданс генератора был опре-
делен в пункте 3.7.
► Задание
Установите частоту сигнала 10 кГц и повторите измерения. Сравните и
определите зависимость от частоты.
Рис. 4.11. Динамик с двухтактным усилителем.
5 -1902
Глава 4. Биполярные транзисторы
► Задание
Установите снова частоту 1 кГц и добавьте двухтактный каскад усиле-
ния, как показано на рис. 4.11. Вы должны увидеть большую амплитуду
выходного сигнала и услышать громкий звук в динамике.
В схеме могут возникнуть автоколебания (дребезг). Это из-за поло-
жительной обратной связи. В динамике при этом будет слышен звук
постоянной частоты. Если это возникнет, постарайтесь собрать вашу
схему заново так, чтобы провода были как можно короче. Затем добавь-
те резистор 330 Ом последовательно с входом. Если схема все еще будет
нестабильной, добавьте конденсатор в несколько сотен пикофарад между
выходом и «землей».
► Задание
Выходной сигнал на дисплее осциллографа будет с искажением типа
«ступенька». Почему это происходит? Насколько это уменьшает выход-
ную амплитуду и почему? Какой должна быть входная амплитуда, что-
бы выход был слышимым? Объясните.
Пары Дарлингтона чаще всего применяются в мощных усилителях.
Существует два метода снижения искажений:
1) сдвиг точек смещения транзисторов, чтобы уменьшить время, когда
ни один из транзисторов не включен;
2) применение обратной связи.
4.3.3. Усилитель с общей базой
Соберите схему усилителя с общей базой в соответствии с рис. 4.12.
Рис. 4.12. Усилитель с общей базой.
4.3. Дополнительные эксперименты
► Задание
Рассчитайте и измерьте токи покоя и напряжение смещения. Диод на
базе должен смещать эмиттер почто до «земли». Так как падение напря-
жения на диоде и на переходе база-эмиттер не одинаковы, то на входе
должен быть небольшой сдвиг напряжения. Какова его величина?
► Задание
На вход усилителя необходимо подать синусоиду. Определите коэффи-
циент усиления напряжения усилителя. Отличие этого усилителя от уси-
лителя с общим эмиттером состоит в том, что выход не инвертируется.
► Задание
Рассчитайте входной и выходной импеданс. Измерить входной импе-
данс можно, зная, что выходной импеданс функционального генерато-
ра составляет 400 Ом. Насколько уменьшится выходной импеданс фун-
кционального генератора при подключении генератора к входу
усилителя? Какой входной импеданс усилителя дает такое уменьше-
ние? Объясните.
5*
ГЛАВА 5
ПОЛЕВЫЕ
ТРАНЗИСТОРЫ
Большинство современных микросхем сконструировано на полевых
транзисторах. Объяснить функционирование полевых транзисторов лег-
че, чем работу биполярных транзисторов, однако из-за изменчивости
их параметров многие считают, что применять полевые транзисторы
сложнее.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, два полевых транзистора 2N5485, один диод
Шотки 1N4733, два резистора 1 кОм, один резистор 3,3 кОм, два рези-
стора 10 кОм, один резистор 100 кОм, один резистор 1 МОм на 0,25 Вт,
керамический конденсатор 0,1 рФ, электролитические конденсаторы
1,0 рФ и 100рФ.
5.1. Полевые транзисторы
Так же как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы — это
полупроводниковые приборы с двумя /ш-переходами, которым прису-
ще усиление мощности. Функционируют они так же, как биполярные
транзисторы, но обладают более высоким входным импедансом и более
низкими проводимостью и коэффициентом усиления напряжения. От-
личием является также более широкий диапазон изменения падения
напряжения база-эмиттер.
Рис. 5.1. Конструкция и условное обозначение полевых транзисторов с
управляющим ри-переходом.
5.1. Полевые транзисторы
Рис. 5.2. Принцип действия полевого транзистора:
а — диод затвор-канал слегка обратно смещенный;
б — диод затвор-канал сильно обратно смещенный — канал закрыт.
Существуют два типа полевых транзисторов: чисто полупровод-
никовый и металл-окисел-полупроводник (МОП) транзистор. В обо-
их типах есть канал между истоком и стоком, который управляется
напряжением, приложенным к затвору. Каналы могут быть л-типа и
p-типа (см. рис. 5.1). Чаще всего бывает канал и-типа, так как прово-
димость полупроводника и-типа выше.
Область затвора полевого транзистора — это материал с противопо-
ложным каналу типом полупроводника. Таким образом, канал и затвор
образуют диод. Канал проводит ток, пока он не закроется подачей обрат-
но смещенного напряжения между затвором и каналом. С увеличением
обратно смещенного напряжения ток все больше отражается от канала,
до тех пор пока ток исток-сток не станет равен нулю (см. рис. 5.2). Это
напряжение обозначается И или Vcs.
Следует заметить, что сток, затвор и исток полевого транзистора
соответствуют коллектору, базе и эмиттеру биполярного транзистора.
Отличие в том, что в полевом транзисторе исток и сток взаимозаменя-
емы и поэтому его можно использовать «задом наперед».
Глава 5. Полевые транзисторы
5.1.1. Характеристики
полевых транзисторов
Принцип работы полевого транзистора — это управляемый напряже-
нием источник тока, т.е. ток на стоке постоянный для данного на-
пряжения затвор-исток и почти не зависит от напряжения исток-
сток. Так как диод затвор/канал обратно смещенный, ток на затворе
очень маленький (несколько наноампер), поэтому токи на истоке и
стоке практически равны. Полевой транзистор способен функцио-
нировать как управляемый напряжением источник тока так долго,
пока напряжение исток-сток остается достаточно высоким. На вольт-
амперной характеристике эта область называется диапазоном насы-
щения (см. рис. 5.3).
При напряжении менее / б полевой транзистор ведет себя скоре как
управляемый напряжением резистор, а не источник тока, т.е. наклон
вольт-амперной характеристики зависит от напряжения затвор-источ-
ник. Это линейная область характеристики, которая применяется в си-
стемах с автоматическим управлением коэффициентом усиления и при
модуляции.
Обратите внимание, насыщение полевых транзисторов и насыще-
ние биполярных транзисторов — разные явления! Например, насыще-
ние биполярных транзисторов наступает при низком напряжении кол-
лектор-эмиттер, в то время как насыщение полевых транзисторов
происходит при высоком напряжении сток-исток.
Рис. 5.3. Вольт-амперная характеристика полевого транзистора.
5.1.2. Математическая модель
полевого транзистора
В режиме насыщения полевого транзистора ток стока определяется по
формуле:
= ^dssG У (5-1)
V 'г /
где И — напряжение закрытия канала, a /DSS — ток насыщения при
нулевом напряжении затвор-источник. Таким образом, проводимость
будет пропорциональна корню квадратному тока на стоке.
Так же как и для биполярных транзисторов, формулы (5.1) и (5.2) —
только модель и не могут быть абсолютно точными. Как и параметр Д
для биполярных транзисторов, И и /Dss зависят от температуры и изме-
няются почти одинаково. Поэтому необходимо минимизировать изме-
нение температуры.
Так как проводимость биполярных транзисторов увеличивается ли-
нейно от тока на коллекторе, а в полевых транзисторах по степени 1/2
от тока на стоке, то проводимость биполярных транзисторов выше для
определенного тока, а поэтому коэффициент усиления у них выше. В
современной практике широко применяется комбинация полевых и би-
полярных транзисторов.
5.2. Эксперименты
5.2.1. Характеристики полевых транзисторов
Как показано на рис. 5.1, переходы затвор-источник и затвор-сток яв-
ляются рл-типа.
► Задание
Расположение выводов полевого транзистора 2N5485 изображено на
рис. 5.4а. Схема для снятия характеристик полевого транзистора пред-
ставлена на рис. 5.46. С помощью режима «диод-тест» универсального
измерительного прибора проверьте схему на рис. 5.1.
► Задание
Используя омметр, убедитесь, что между стоком и истоком есть канал.
Если показания прибора нестабильны, соедините затвор и исток, ис-
пользуя макетную плату. Объясните, почему это стабилизирует показа-
ния прибора. Какое сопротивление вы измерили?
Глава 5. Полевые транзисторы
Рис. 5.4. Схема для измерения характеристик полевого транзистора.
Для дальнейших измерений необходимо подать на сток 10 В, на зат-
вор изменяющееся отрицательное напряжение (от потенцио’метра), а
исток заземлить.
► Задание
Измерьте /DSS. В соответствии с уравнением (5.1) ток на стоке равен /DSS.
► Задание
Измерьте И. Для этого необходимо добиться нулевого тока на стоке.
Напряжение закрытия канала должно равняться этому измерению. Верно
ли это утверждение?
► Задание
Проверьте уравнение (5.1). Изменяя Vcs, измеряйте /D. Постройте гра-
фик зависимости /D от Vs.
Эти графики отражают зависимость основных параметров полевого
транзистора и будут использоваться в других экспериментах.
Так как разброс параметров у полевых транзисторов гораздо больше,
чем у биполярных транзисторов, старайтесь во всех экспериментах при-
менять один и тот же транзистор.
► Задание
С помощью потенциометра установите Vcs = 0,5 В. Постепенно увели-
чивайте напряжение на стоке от 0 до 15 В. Запишите свои измерения.
Постройте график.
Для KDS ниже нескольких вольт ток должен увеличиваться линейно.
Это так называемая линейная область, в которой полевой транзистор
работает как управляемый напряжением резистор. С увеличением на-
пряжения KDS наступает насыщение и ток становится постоянным.
► Задание
Повторите ваши измерения для нескольких значений от 0 до К.
Нарисуйте все графики вместе, подпишите их и обозначьте линейную
область и зону насыщения.
5.2. Эксперименты
5.2.2. Источник тока
на полевом транзисторе
► Задание
Соберите схему, изображенную на рис. 5.5. Используя потенциометр,
измерьте зависимость тока стока от напряжения сток-исток. Запишите
результаты и постройте график.
► Задание
Каково напряжение PGS для каждой точки измерения?
Вы можете рассчитать зависимость Vcs от ID и узнать сопротивление
резистора Rs.
► Задание
Каково совпадение?
► Задание
Чему равен ток в области насыщения?
► Задание
Рассчитайте выходной импеданс в области насыщения (см. уравне-
ние (3.13)).
► Задание
Сравните характеристики этого источника тока с характеристиками еди-
ничного полевого транзистора и с характеристиками источника тока на
биполярном транзисторе.
Открыт
Рис. 5.5. Источник тока на полевом транзисторе.
Глава 5. Полевые транзисторы
5.2.3. Повторитель источника тока
Так же как и эмиттерный повторитель (см. пункт 4.2.2), повторитель
источника тока усиливает мощность, даже если коэффициент усиления
напряжения равен единице или меньше нее. Схема повторителя источ-
ника тока представлена на рис. 5.6. Соберите ее и подайте на вход сину-
соиду с маленькой амплитудой и частотой 1 кГц.
На затвор подается ток несколько наноампер, сопротивления рези-
стора 1 МОм оказывается достаточно, чтобы затвор был на «земле».
Транзистор попадает в область насыщения с током /[р определяемым
напряжением KDSS, и напряжение Ир соответствует уравнению (5.1). Если
входное напряжение увеличивается, Гс стремится к нулю, канал откры-
вается, ток на стоке увеличивается. Таким образом, выходное напряже-
ние повторяет исток. Когда входное напряжение уменьшается, канал
закрывается, и выходное напряжение падает.
► Задание
Есть ли смещение на выходе?
► Задание
Измерьте коэффициент усиления напряжения.
► Задание
Сравните полученное затухание с затуханием в такой же схеме на бипо-
лярном транзисторе.
Работа схемы улучшается с увеличением сопротивления нагрузки и
добавлением еще одного полевого транзистора, как показано на рис. 5.7.
+15
Рис. 5.6. Повторитель источника тока.
► Задание
Измерьте коэффициент усиления напряжения и сдвиг входа относи-
тельно выхода в схеме рис. 5.7.
Если у двух полевых транзисторов совпадают характеристики, коэффи-
циенты усиления могут не совпадать, но смещение становится меньше.
► Задание
Объясните, как работает схема рис. 5.7.
Рис. 5.7. Повторитель источника тока.
+ 15
Рис. 5.8. Усилитель на полевом транзисторе с управляющим рл-переходом.
Глава 5. Полевые транзисторы
► Задание
Каковы /D, и KGS2?
Сдвиг можно уменьшить использованием пары Дарлингтона на по-
левых транзисторах.
5.2.4. Усилитель на полевом транзисторе
с управляющим рп-переходом
Соберите схему усилителя в соответствии с рис. 5.8.
► Задание
Используя графики характеристик транзистора, которые вы.получили
экспериментальным путем в пункте 5.2.1, рассчитайте смещение на-
пряжения затвор-исток в состоянии покоя и выходное напряжение для
этого усилителя (рис. 5.8). Подайте на усилитель питание, измерьте вы-
ходное напряжение и сравните с расчетами.
► Задание
Какая энергия рассеивается полевым транзистором?
► Задание
Каков входной импеданс усилителя?
► Задание
Этот усилитель инвертирующий или неинвертирующий? Объясните,
почему.
Коэффициент усиления напряжения (А) — это отношение амплиту-
ды выходного напряжения к амплитуде входного напряжения. Если на-
пряжение на истоке остается фиксированным, тогда:
АКз =
Как указывалось выше:
а так как:
AKd = A/d7?d,
то:
а = gmRo.
► Задание
Рассчитайте коэффициент усиления напряжения усилителя. Подайте
на вход усилителя синусоиду с малой амплитудой и частотой 7 кГц.
Измерьте коэффициент усиления напряжения и сравните с расчетами.
5.2. Эксперименты
Конденсатор на истоке используется для фиксации напряжения на
истоке во время изменения тока на стоке, которое происходит из-за
переменного тока на входе. Это означает, что коэффициент усиления
напряжения должен зависеть от частоты.
► Задание
Переключите вход на пилообразное напряжение и установите больший
период. Объясните, что вы видите. Замените конденсатор на истоке на
конденсатор 100 рФ. Что это изменит?
► Задание
Измерьте коэффициент усиления напряжения, ток покоя на стоке и
выходное напряжение для нескольких транзисторов 2N5485. Есть ли
различия?
► Задание
Прокомментируйте принцип действия усилителя на биполярном тран-
зисторе и на полевом транзисторе. Почему в том или ином случае отда-
ется предпочтение той или другой схеме?
ГЛАВА 6
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ
Дифференциальный усилитель — очень важная схема, она является ос-
новой всех операционных усилителей, а также большинства схем обра-
ботки аналоговых сигналов.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсаль-
ный измерительный прибор, три транзистора 2N3904, три транзистора
2N3906, один стабилитрон (диод Зенера) 5,1 В, три резистора 100 Ом,
пять 10 кОм, два 22 кОм, по одному 560 Ом, 2,2 кОм, 100 кОм с допу-
стимой мощностью 0,25 Вт.
6.1. Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель — это усилитель дифференциальных вход-
ных сигналов, т.е. он усиливает разницу напряжений на своих двух вхо-
дах. Это свойство усилителя имеет два важных преимущества:
1) схема подавляет любой шум на входе;
2) схему легко преобразовать в схему с отрицательной обратной
связью.
Следует заметить, что дифференциальный усилитель и дифферен-
циатор — совершенно разные схемы, хотя их названия звучат похоже.
► Задание
Что осуществляет каждая схема? (Дифференциальный усилитель и диф-
ференциатор.)
6.1.1. Принцип действия
Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 6.1. По-
строена она на двух транзисторах ири-типа. Можно подумать, что это
делитель тока. В состоянии покоя ток через резистор RY делится по-
полам между транзисторами (9, и Qr Если дифференциальный вход-
ной сигнал подать на базы (9( и Q2, то возникает сдвиг между токами
на коллекторах. Эта разница вызывает положительное изменение
напряжения на одном коллекторе и отрицательное изменение на-
пряжения на другом, т.е. выходной сигнал составляет разница напря-
жений.
6.1. Дифференциальный усилитель
6.1.2. Расчет коэффициента усиления
Предположим, что на вход подается дифференциальный сигнал, кото-
рый состоит из двух равных по величине и противоположных по знаку
напряжений:
ДИ^-ДЕ^ДЕ (6.1)
Так как напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе, та-
кая же разница напряжений создается и между двумя эмиттерами, что
вызывает ток Д1 через два эмиттерных резистора. Так как каждый из
этих резисторов соединен последовательно с динамическим сопротив-
лением эмиттера, то в соответствии с математической моделью Эбер-
са—Молла мы имеем:
Д/ =
ДИ
(6-2)
Так как чистый дифференциальный сигнал зеркально увеличивает
напряжение на эмиттерах, то напряжение на резисторе Д не Изменяет-
ся. При этом ток через резистор Д остается постоянным. Это означает,
что ток складывается с током на коллекторе одного транзистора и вы-
читается из тока на коллекторе другого транзистора. Следовательно,
коэффициент усиления должен быть.
Рис. 6.1. а — Дифференциальный усилитель;
б функциональный генератор с ослаблением от 100 до 1.
Глава 6. Дифференциальный усилитель
6.1.3. Измерение коэффициента усиления
Соберите схему в соответствии с рис. 6.1а. Так как коэффициент усиле-
ния этой схемы очень высокий, входной сигнал для нее от генератора
функций нужно подавать с очень маленькой амплитудой. Для этого
используйте 100-кратный аттенюатор, созданный на основе потенцио-
метра (см. рис. 6.16).
► Задание
Измерьте ослабление выходного напряжения функционального ге-
нератора. Сравните коэффициент реального ослабления с расчетной
величиной.
Зная реальное ослабление, наблюдайте выход функционального ге-
нератора на осциллографе и рассчитайте необходимый входной сигнал
для усилителя.
Заведите ослабленный сигнал на базу транзистора Q и зафиксируй-
те выходной сигнал усилителя (между коллекторами Qx и (Z,).
► Задание
Измерьте коэффициент усиления напряжения:
Л _ A(Kout+ - (<„„ )
Ж„+-Ип_)
для разных входных амплитуд и частот. Сравните измерения с расчетами.
Если весь возможный ток переключать на один транзистор или на
другой, то можно определить максимум и минимум напряжения, за
пределами которых схема усилителя будет ограничивать выход (на вы-
ходе ничего не будет).
► Задание
Попробуйте проделать такой эксперимент. С какого напряжения начи-
нается ограничение выходного напряжения? Сравните с расчетами. Вы
можете рассчитать ток на транзисторах, измерив предварительно паде-
ние напряжения на резисторе Rv
6.1.4. Входное напряжение смещения
Если заземлить оба входа, каким будет выходное напряжение? Для иде-
ального дифференциального усилителя напряжения на коллекторах дол-
жны быть равны, но в реальности этого не происходит. Это вызвано
неравенством параметров резисторов и транзисторов. Чтобы получить
результат, близкий к идеальному усилителю, необходимо в состоянии
покоя схемы подавать на вход небольшое напряжение, называемое «вход-
ное напряжение смещения».
6.1. Дифференциальный усилитель
► Задание
Какое входное напряжение смещения нужно подавать на вашу схему?
6.1.5. Коэффициент усиления
синфазного сигнала
Синфазным сигналом называется сигнал, когда на оба входа диффе-
ренциального усилителя подаются идентичные напряжения. Примером
такого сигнала служит шум, присутствующий в малом полезном сигна-
ле. Усилитель обладает свойством подавлять синфазный сигнал. Опре-
делите подавление синфазного сигнала вашей схемой.
► Задание
Подсоедините оба входа к одной и той же синусоиде генератора функций:
дг = -ди .
tn+ Ш—
Что Вы наблюдаете на выходе? На обоих выходах почти одинаковые
сигналы. Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется как:
Л» ~

л .
и /*см- - ди
' in-
Какой коэффициент усиления синфазного сигнала вы наблюдаете
на своем усилителе? Почему?
Подавление синфазного сигнала обычно характеризуется специаль-
ным термином CMRR (коэффициент ослабления синфазного сигнала).
Единица его измерения — децибел.
CMRR = 201og10
(6.3)
Рис. 6.2. Источник тока в дифференциальном усилителе.
6 - 1902.
Глава 6. Дифференциальный усилитель
► Задание
Какова величина CMRR вашего усилителя?
Хотя величина коэффициента усиления синфазного сигнала этой
схемы невелика, им нельзя пренебрегать на практике. Она может быть
уменьшена увеличением сопротивления резистора R}, но это умень-
шит ток на обоих транзисторах и при этом уменьшится коэффициент
усиления напряжения усилителя. Лучшим решением этой проблемы
является замена резистора /?( источником тока (см. рис. 6.2). Попро-
буйте сделать это.
► Задание
Каков ток вашего источника тока? Рассчитайте и измерьте, а потом
сравните.
► Задание
Какой выходной сигнал вы наблюдаете? Какой коэффициент усиления
синфазного сигнала вы наблюдаете теперь?
Он должен быть намного меньше.
6.2. Операционные усилители
Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель с не-
симметричным выходом и дифференциальный коэффициент усиления
которого настолько высокий, насколько возможно (обычно более 100000).
Операционные усилители поставляются на рынок в виде интегральных
схем. Предусмотрено, как правило, их питание постоянным током. Внут-
ренняя схема обычно содержит уже схему смещения, а также отрица-
тельную обратную связь. Таким образом, если на вход микросхемы по-
дать два равных напряжения, на выходе будет ноль.
6.2.1. Токовое зеркало
Для достижения высокого коэффициента усиления в операционном
усилителе резисторами на эмиттерах пренебрегают, а резисторы на кол-
лекторах заменены источниками тока. Таким образом преобразованная
конфигурация усилителя называется токовым зеркалом.
Схема токового зеркала на транзисторах рир-типа представлена
на рис. 6.3. Ток на выходе транзистора Q4 «программирует» пример-
но равный ток на выходе транзистора Qs, так как коллектор транзи-
стора Q4 заведен на его базу. Это удерживает падение напряжения
ИВЕ ниже положительного напряжения питания. Ток на выходе тран-
зистора Q4 определяется по закону Ома на резисторе R. Так как базы
транзисторов соединены, их КВЕ равны. Поэтому токи на их коллек-
торах будут совпадать, если, конечно, у них одинаковые Zs, р и тем-
6.2. Операционные усилители
+15
Рис. 6.3. Токовое зеркало.
пература. На практике они слегка не совпадают. Так как /3 увеличива-
ется с увеличением ИСЕ, а КВЕ для определенного тока коллектора
немного зависит от ИСЕ (эффект Эрли), то несовпадение токов будет
зависеть от выходного напряжения. Можно убедиться в этом, изменяя
нагрузку (см. рис. 6.3).
► Задание
Как изменяется ток на выходе в зависимости от напряжения на коллек-
торе? Определите динамическое сопротивление выхода. Применение
источников тока вместо резисторов на коллекторах улучшает или ухуд-
шает свойства схемы? Сравните с показателями предыдущей схемы.
6.2.2. Дифференциальный усилитель
с источником тока
Для улучшения работы токового зеркала применяются различные фо-
кусы. Соберите схему простого токового зеркала из вашей схемы диф-
ференциального усилителя на трех транзисторах, удалив резисторы
100 Ом на эмиттерах и заменив резисторы коллекторов на потенцио-
метры 10 кОм (см. рис. 6.4). Подсоедините зонд осциллографа на кол-
лектор транзистора Qr Если вход сбалансирован, то токи через транзи-
сторы Q' и Q2 будут равны, так же как и токи через QA и Qs. Но если на
входе будет некоторая разница сигналов, то возникнет ток между (7, и Q5,
который попадет на зонд осциллофафа, и вы увидите, что коэффици-
ент усиления будет совсем другой. Если бы источник тока на транзис-
торе Qs был идеальный, коэффициент усиления был бы равен:
Л= —106.
2с
6
Глава 6. Дифференциальный усилитель
► Задание
Объясните предыдущее утверждение.
На практике выходной импеданс коллектора Q5 меньше 10 МОм, и
поэтому коэффициент усиления должен быть меньше.
Можно уменьшить этот эффект, разделив входное напряжение на
100—1000. Чтобы избежать искажений выходного сигнала, необходимо,
чтобы напряжение покоя на коллекторе 02 было равно 7 В. Переделай-
те схему в соответствии с рис. 6.4. Благодаря высокому коэффициенту
усиления выходное напряжение будет заметно реагировать на малей-
шее изменение напряжения на каком-либо входе. Если в состоянии
покоя на выходе напряжение около +75 В, это означает, что в схема
хорошо настроено напряжение смещения. Следует заметить, что коэф-
фициент усиления 1000 не является чрезмерным.
► Задание
Какой коэффициент усиления вы получили в этой схеме? Сравните с
вашими расчетами (нагрузка равна 10 МОм). Какое эффективное со-
противление нагрузки, по вашему мнению, должно быть?
► Задание
Чувствительность данной схемы легко продемонстрировать. Согрейте
своими пальцами какой-либо из транзисторов или Qy Какое изме-
нение выходного напряжения вы наблюдаете? Объясните. Повторите
опыт с другим транзистором.
Рис. 6.4. Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом.
6.2. Операционные усилители
6.2.3. Улучшенное токовое зеркало
Улучшить выходной импеданс источника тока можно добавлением не-
большого резистора последовательно между положительным питанием
и эмиттером каждого транзистора рир-типа.
► Задание
Сделайте предложенное улучшение схемы, используя резисторы 100 Ом.
На сколько увеличится коэффициент усиления? Какое эффективное со-
противление нагрузки, по вашему мнению, должно быть в этом случае?
6.2.4. Токовое зеркало Вильсона
Еще лучший эффект получится, если в схеме использовать вместо про-
стого токового зеркала токовое зеркало Вильсона. Оно получается до-
бавлением третьего транзистора рир-типа, как показано на рис. 6.5. Эта
схема устраняет эффект Эрли фиксацией напряжения коллектор-эмит-
тер транзистора 05. Одновременно разница токов на базах делается сим-
метричной и взаимно поглощается. Объясните.
Рис. 6.5. Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом Вильсона.
Глава 6. Дифференциальный усилитель
► Задание
Сделайте в своей схеме зеркало Вильсона и посмотрите, на сколько
увеличился коэффициент усиления. Потребуется настроить заново на-
пряжение на коллекторе транзистора Q5 установкой напряжения сме-
щения. Какое эффективное сопротивление нагрузки, по вашему мне-
нию, должно быть в этом случае?
Коэффициент усиления интегральных схем операционных усилите-
лей выше, чем в данной схеме, за счет, разумеется, более высокого
входного импеданса. Более высокий входной импеданс достигается ис-
пользованием пар Дарлингтона вместо входных транзисторов или при-
менением полевых транзисторов вместо биполярных. Увеличение ко-
эффициента усиления достигается добавлением второго’ каскада
усиления. Еще один добавочный каскад на выходе уменьшает выход-
ной импеданс.
ГЛАВА 7
ОПЕРАЦИОННЫЕ
УСИЛИТЕЛИ
Операционный усилитель — это усилитель с высоким коэффициен-
том усиления, дифференциальным входом и несимметричным выхо-
дом. Первые операционные усилители были построены на электро-
вакуумных лампах и применялись в аналоговых вычислительных
машинах. В настоящее время операционные усилители выпускаются
в виде микросхем. Некоторые из них являются почти идеальными
усилителями.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, два операционных усилителя 741, один резис-
тор 100 Ом, три 10кОм, два 100кОм, один 1 МОм с допустимой мощно-
стью 0,25 Вт.
7.1. Операционный усилитель 741
Операционный усилитель 741 очень популярен, широко используется
в различных устройствах (в последние годы, правда, его догоняют по
популярности операционные усилители с полевым транзистором на
входе, такие как LF411). Существуют две модификации этого усилите-
ля — линейная интегральная схема (выходной сигнал пропорционален
входным) и цифровая интегральная схема (выход имеет только два
состояния).
Разные производители маркируют 741-й усилитель по-разному.
Например, National Semiconductor называет его LM741, Fairchild —
дА741 и т.д. Но все это одна и та же схема. Микросхемы могут быть
вмонтированы в различные корпуса, а также рассчитаны на различ-
ный диапазон рабочих температур. В наших экспериментах будем
применять микросхемы, предназначенные для работы в температур-
ном диапазоне от 0 до 70°С и упакованные в пластмассовый корпус
мини- DIP.
Подробное описание технических данных микросхемы 741 мож-
но найти на сайтах производителей и в специализированных спра-
вочниках.
Глава 7. Операционные усилители
7.1.1. Выводы микросхемы 741
и подача питания
На рис. 7.1 представлена схема 8-выводного DIP-корпуса операци-
онного усилителя 741. Этот корпус прямоугольной формы из чер-
ного пластика. Вывод № 1 маркируется специальным значком (за-
висит от производителя). Максимальное питание операционного
усилителя 741 + 18 В, а рабочее + 15 В. Подсоедините к макетной
плате напряжение питания и установите его равным +15 В. Затем
выключите питание и вмонтируйте микросхему 741 на макетную
плату (в центре) так, чтобы выводы 1—4 были слева, а выводы 5—8
справа. Следует заметить, что нужно очень аккуратно обращаться с
выводами микросхемы. Подсоедините питание к соответствующим
выводам.
7.1.2. Идеальный операционный усилитель
В идеальном операционном усилителе нулевая разница напряже-
ний между инвертирующим входом и неинвертирующим должна
обеспечивать нулевой выход, т.е. коэффициент усиления синфазно-
го сигнала и смещение равны нулю. Кроме того, коэффициент уси-
ления и входной импеданс при дифференциальном сигнале явля-
ются бесконечными, а выходной импеданс равен нулю. Полоса
пропускания и скорость нарастания напряжения при этом равны
бесконечности. Конечно, невозможно создать схему с идеальными
характеристиками.
Рис. 7.1. Схема 8-выводного DIP-корпуса операционного усилителя 741.
7.1. Операционный усилитель 741
7.1.3. Коэффициент усиления инвертирующего
и неинвертирующего усилителей
Схема инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя
представлена на рис. 7.2. Принципиальной характеристикой этого уси-
лителя является отрицательная обратная связь. Часть выходного сигна-
ла подается на инвертирующий вход усилителя. Так как коэффициент
усиления очень большой, а неинвертирующий вход заземлен, то не-
большое напряжение на инвертирующем входе вызывает большое вы-
ходное напряжение противоположного знака, т.е. для стабильного со-
стояния усилителя необходимо поддерживать нулевую разницу
напряжений между входами.
out
Рис. 7.2. Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе.
Предположим, что входной ток операционного усилителя равен нулю,
тогда ток, протекающий через резистору должен также течь через рези-
стор /С,, т.е. 1\ = I. При незамкнутой обратной связи коэффициент усиле-
ния равен бесконечности. В соответствии с законом Ома получаем:
V = V ~I.R=0 (7.1)
'•--у; о-г)
V , = V -IJL-- lit (7.3)
VM=~Vm (7.4)
«I
Таким образом, коэффициент усиления незамкнутой цепи этой
схемы будет:
V R
<’-5>
Глава 7. Операционные усилители
Схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе
представлена на рис. 7.3. Так же как и в предыдущей схеме, небольшое
напряжение на входе вызывает большое выходное напряжение. В соот-
ветствии с законом Ома получаем коэффициент усиления замкнутой
обратной связи:
_ Ц ^1 + Л ^2 _ 1 ,
' Ут '
(7.6)
7.1.4. Золотые правила операционных усилителей
При использовании операционного усилителя с обрат ной связью необ-
ходимо знать простые правила:
1) на входы не подают никаких токов;
2) на входы необходимо подавать равные напряжения.
7.1.5. Реальный операционный усилитель
Хотя реальный операционный усилитель очень близок к идеальному, тем
не менее необходимо принимать во внимание несколько ограничений.
Напряжение входного смещения
Напряжение входного смещения устанавливается для достижения ну-
левого выхода в состоянии покоя усилителя. Из-за технологических ог-
раничений в производстве микросхема операционного усилителя в со-
стоянии покоя имеет на выходе некоторое напряжение. Поэтому для
большинства микросхем требуется настройка с помощью напряжения
смещения. Для операционных усилителей 741 напряжение входного
смещения составляет, как правило, менее 6 мВ.
Рис. 7.3. Схема не инвертирующего усилителя на операционном усилителе.
Ток входного смещения
В идеальном операционном усилителе на вход не подается никакого
тока, однако в реальном операционном усилителе требуется подавать
маленький ток смещения для надежного функционирования. Это сле-
дует из формулы для тока базы биполярного транзистора. Для операци-
онных усилителей 741 ток входного смещения составляет, как правило,
менее 500 нА.
Скорость нарастания напряжения
Выходное напряжение реального операционного усилителя изменяет-
ся непрерывно. Максимальная скорость изменения выходного напря-
жения называется скоростью нарастания напряжения и измеряется в
вольтах за микросекунду. Скорость нарастания напряжения может слу-
жить серьезным ограничением для получения больших амплитуд вы-
ходного напряжения и для работы на высоких частот. Для операцион-
ных усилителей 741 скорость нарастания напряжения составляет, как
правило, 0,5 В/мкс.
7.2. Эксперименты
7.2.1. Тестирование коэффициента усиления
незамкнутой цепи
Соберите схему в соответствии с рис. 7.4. Потенциометром установите
ограничение на входе ±15 мВ. Затем настройте схему так, чтобы на
выходе было напряжение О В.
Рис. 7.4. Схема для тестирования коэффициента усиления незамкнутой
цепи операционного усилителя.
Глава 7. Операционные усилители
► Задание
Изменяйте входное напряжение по шагам от 100 до 200 рВ. При этом
выходное напряжение будет изменяться от максимально отрицательно-
го значения до максимально положительного. Результаты запишите. При
каком входном напряжении выходное напряжение будет равно нулю?
Это входное напряжение смещения вашего операционного усилителя.
► Задание
Определите положительное и отрицательное выходное напряжение на-
сыщения.
► Задание
Какой коэффициент усиления напряжения дает ваша схема? Отличает-
ся ли он от указанного в спецификации?.
Улучшить работу схемы можно подключением резистора 100 Ом на
неивертирующий вход. Проверьте.
7.2.2. Инвертирующий усилитель
Соберите схему инвертирующего усилителя, изображенную на рис. 7.2. При
этом Rt = 10 кОм, a R2= 100 кОм. На вход подается синусоида с частотой
1 кГц и амплитудой 1 В. Измерьте входное и выходное напряжение.
► Задание
Проверьте, что усилитель инвертирующий. Измерьте коэффициент уси-
ления и сравните с расчетом. Замените резистор в цепи обратной связи
100 кОм на резистор 10 кОм. Рассчитайте коэффициент усиления, из-
мерьте его и сравните. (Переделайте схему в первоначальный вариант.)
Из-за обратной связи выходной импеданс инвертирующего усили-
теля очень маленький — около 75 Ом.
► Задание
Удостоверьтесь, что выходной импеданс инвертирующего усилителя с
обратной связью очень маленький. Для этого добавьте резистор 100кОм
в качестве нагрузки между выходом и «землей». Величина выходного
импеданса определяется из формулы для делителя напряжения.
► Задание
Уменьшится ли амплитуда выходного напряжения после подключения
нагрузки? На сколько? Проверьте свои ответы экспериментально. (Вход-
ной сигнал должен быть около 25 мА)
Удалите резистор нагрузки 100 кОм и подайте на вход прямоуголь-
ные импульсы с частотой 10 кГц. Вы можете увидеть, что на выходе
фронты импульсов не вертикальны.
7.2. Эксперименты
► Задание
Измерьте наклон фронта прямоугольного импульса на выходе в вольтах
за микросекунду. Это будет скорость нарастания напряжения вашего
усилителя 741. Следует заметить, что операционные усилители с более
высокой скоростью нарастания напряжения стоят дороже.
Инвертирующий вход называется виртуальной «землей», так как на
нем поддерживается О В за счет обратной связи. Поэтому входной им-
педанс инвертирующего усилителя примерно равен величине сопро-
тивления резистора Rv
Следует заметить, что виртуальная «земля» на инвертирующем входе
может быть использована в качестве суммирующего перехода: все токи,
поступающие в эту точку, суммируются и через резистор обратной свя-
зи попадают на выход. Чтобы продемонстрировать это, соберите схему
в соответствии с рис. 7.5. На вход нужно подавать синусоиду с малой
амплитудой и частотой 1 кГц.
Так как инвертирующий вход за счет обратной связи является
«землей», то:
Г = (/, + Д) /С
out ' 1 2' 3’
где
Если Rx = R2 = Ry то
V , = V + И.
out in U
► Задание
Измерьте эффект суммирования.
Рис. 7.5. Схема для демонстрации суммирующего перехода.
Глава 7. Операционные усилители
7.2.3. Неинвертирующий усилитель
Соберите схему неинвертирующего усилителя, изображенную на рис. 7.3.
При этом R\= 10 кОм.
► Задание
На вход подается синусоида с частотой 1 кГц. Измерьте коэффициент
усиления для /?2 = 100 кОм и для Щ = К) кОм. Сравните с расчетами.
Убедитесь, что усилитель неинвертирующий.
► Задание
Измерьте входной импеданс. Для этого подключите последовательно с
входом резистор 1 МОм и измерьте напряжение до подключения и пос-
ле. Вычисляется входной импеданс по формуле для делителя напряже-
ния. Объясните результат. Если ваш расчетный импеданс равен 10 МОм,
то необходимо учесть ослабление сигнала зондом осциллографа.
► Задание
Необходимо исследовать эффект отрицательной обратной связи. Вход-
ной импеданс незамкнутой цепи обратной связи неинвертирующего
усилителя составляет несколько мегаом. Тогда входной импеданс неин-
вертирующего усилителя с обратной связью должен определяться ум-
ножением на отношение коэффициента усиления схемы с незамкнутой
цепью обратной связи и коэффициента усиления схемы с обратной свя-
зью (около 100000).
► Задание
Определите величину входного тока смещения для установленного вами
входного напряжения смещения.
Выходной импеданс неинвертирующего усилителя должен быть та-
кой же, как и в инвертирующем усилителе.
► Задание
Объясните это утверждение.
7.2.4. Повторитель напряжения
Схема повторителя напряжения на операционном усилителе представ-
лена на рис. 7.6а. Соберите схему в соответствии с этим рисунком. На
вход «+» операционного усилителя подведите выход функционального
генератора.
► Задание
Проверьте, правильно ли собрана схема. Включите питание. Убедитесь,
что повторитель напряжения является неинвертирующим. Зафиксируйте
амплитуды входного и выходного сигналов.
Рис. 7.6. а — Повторитель напряжения на операционном усилителе;
б — повторитель напряжения как входной каскад инвертирую-
щего усилителя.
► Задание
Для чего нужны усилители, у которых коэффициент усиления равен
единице и которые даже не инвертируют сигнал?
Проводом длиной около 50 см обмотайте провода от источника пи-
тания переменного тока. Оставьте один конец провода свободным, а
другой конец подсоедините к любому гнезду макетной платы.
► Задание
С помощью зонда осциллографа посмотрите на форму сигнала. Опи-
шите ее и объясните результат.
► Задание
Учитывая, что входной импеданс зонда равен 10 МОм, рассчитайте мощ-
ность этого сигнала. Какую мощность рассеивает зонд? Вы можете вос-
произвести этот эффект более простым способом — подержав зонд паль-
цами. Электропитание 50 Гц (60 Гц в Северной Америке) производит
шумы, которые влияют на работу электронного оборудования.
► Задание
Усильте этот маломощный сигнал инвертирующим усилителем с помо-
щью предыдущей схемы. Запишите результат.
► Задание
Теперь соберите схему в соответствии с рис. 7.66. Запишите результат. Про-
верьте выход повторителя напряжения и усилителя. Если выход усилителя
насыщается, подберите маленький резистор в цепь обратной связи, чтобы
снизить коэффициент усиления усилителя. Объясните ваши наблюдения.
Глава 7. Операционные усилители
7.2.5. Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель — это усилитель, выходное напряжение
которого равно усиленной разнице между двумя входными напряжени-
ями (см. рис. 7.7). Дифференциальный усилитель может быть и инвер-
тирующим, и неинвертирующим усилителем. Инвертирующий диффе-
ренциальный усилитель получается, если вход «+» заземлен, а
неинвертирующий дифференциальный усилитель получается, если вход
«—» заземлен. На два входа подаются сигналы, и усилитель усиливает
разницу между ними. Причем, если коэффициенты усиления в обеих
схемах равны, то результат будет одинаковый. Требуемый коэффициент
усиления получается подбором резисторов и будет равен:
А,
Дифференциальные усилители применяются в тех случаях, когда
сигналы очень малы и когда повышены требования к шумам (напри-
мер, в электрокардиографах). Даже синфазный шум подавляется этим
усилителем, в то время как полезный сигнал усиливается и подается на
выход. Очень часто в дифференциальных усилителях используется по-
тенциометр для регулирования коэффициента усиления и синфазного
подавления.
Качество дифференциального усилителя оценивается коэффициен-
том ослабления синфазного сигнала (CMRR), который определяется от-
ношением коэффициента усиления дифференциального напряжения и
коэффициента усиления синфазного сигнала:
(7.7)
CMRR = 10 log
Рис. 7.7. Дифференциальный усилитель.
7-2. Эксперименты
Измеряется CMRR в децибелах. Дифференциальный усилитель на ос-
нове операционного усилителя 741 обладает CMRR в 70 дБ. Для прецизи-
онных операционных усилителей 741 характерны CMRR 140 дБ и выше.
Соберите схему в соответствии с рис. 7.7. Будьте внимательны — не
замкните скользящий контакт потенциометра с «землей» или с питани-
ем! Можно определить CMRR схемы, измерив отдельно коэффициент
усиления дифференциального напряжения и коэффициент усиления син-
фазного сигнала.
Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется, если по-
дать на входы усилителя одинаковые сигналы:
I/
Л — r outCM
Лсм - у •
*|иСМ
На вход надо подать синусоиду с частотой 1 кГц и максимальной
амплитудой и с помощью потенциометра добиться минимального вы-
ходного напряжения. Пользуйтесь при этом опцией «ACQUIRE» меню
осциллографа, чтобы добиться более точного определения минималь-
ного выходного напряжения.
► Задание
А-А
Убедитесь, что ~ •
► Задание
Определите коэффициент усиления синфазного сигнала.
Отношение сопротивлений можно определить с помощью универ-
сального измерительного прибора, только измерение будет более точ-
ным, если отсоединять каждый резистор из схемы.
► Задание
Чтобы измерить коэффициент усиления дифференциального напряже-
ния, заземлите один вход, подайте на другой вход синусоиду с частотой
1 к Гц и амплитудой 1 В и измерьте амплитуду выходного напряжения.
Повторите эксперимент, заземлив другой вход. Убедитесь, что коэффи-
циент усиления дифференциального напряжения один и тот же.
► Задание
Объясните, почему не имеет значения, какой из входов заземлен.
► Задание
Определите CMRR данной схемы.
► Задание
Каков входной импеданс каждого входа?
7 - 1902.
Глава 7. Операционные усилители
7.3. Добавочные эксперименты
7.3.1. Источник тока
Идеальный источник тока должен обеспечивать постоянный ток, не за-
висящий от величины сопротивления нагрузки. Соберите схему в соот-
ветствии с рис. 7.8. Изменяющееся сопротивление нагрузки обеспечива-
ет потенциометр. Ток на нагрузке измеряется универсальным цифровым
измерительным прибором, а напряжение на нагрузке осциллографом.
Запишите ваши наблюдения.
► Задание
Объясните, как работает схема?
► Задание
Каким должен быть ток на выходе и почему?
► Задание
Что такое dl/dV- Какова «совместимость» вашего источника тока?
► Задание
Сравните характеристики источника тока на операционном усилителе с
характеристиками источника тока на транзисторах.
7.3.2. Неинвертирующий суммирующий усилитель
с дифференциальным усилителем
Неинвертирующий суммирующий усилитель с дифференциальным уси-
лителем используется для демонстрации интерференции между двумя
сигналами. Схема, изображенная на рис. 7.9, суммирует два сигнала, а
затем подавляет один сигнал.
Рис. 7.8. Источник тока на основе операционного усилителя.
7.3. Добавочные эксперименты
Рис. 7.9. Неинвертирующий суммирующий усилитель с дифференциаль-
ным усилителем.
Один сигнал можно получить от генератора функций, другой от
добавочного генератора или как в пункте 7.2.4. Соберите схему в
соответствии с рис. 7.9. Установите генератор функций на синусо-
иду с частотой 50 Гц. Измерьте напряжение на суммирующем вы-
ходе усилителя. Выход должен быть линейной суммой двух сигна-
лов. Изменяйте амплитуду, форму волны сигнала (синусоидальная,
пилообразная, прямоугольная) и частоту. Понаблюдайте, что про-
изойдет.
Теперь установите амплитуду выходного напряжения генератора
функций в ноль. Скользящий контакт потенциометра установите в
такое положение, при котором на выходе дифференциального уси-
лителя будет нулевая амплитуда напряжения. Теперь увеличивайте
амплитуду выходного напряжения функционального генератора. Что
получается на выходе дифференциального усилителя? Попробуйте из-
менить частоту входного сигнала. Подайте на неинвертирующий вход
дифференциального усилителя сигнал от функционального генера-
тора. Как изменится выходное напряжение?
► Задание
Объясните, как работает эта схема. Объясните, почему суммирующий
усилитель не инвертирует напряжение и почему его коэффициент уси-
ления равен нулю.
7‘
► Задание
Опишите, что вы наблюдали на выходе суммирующего усилителя, ког-
да изменяли форму сигнала на входе.
► Задание
Опишите, что вы наблюдали на выходе дифференциального усилителя,
когда изменяли форму сигнала на входе и когда поменяли вход усили-
теля.
► Задание
Выход дифференциального усилителя инвертирует напряжение. Поче-
му? Что надо сделать, чтобы дифференциальный усилитель не инверти-
ровал входное напряжение?
ГЛАВА 8
УСТРОЙСТВА
НА ОСНОВЕ
ОПЕРАЦИОННОГО
УСИЛИТЕЛЯ
В предыдущей главе были рассмотрены основные свойства операцион-
ных усилителей. Существует огромное количество способов примене-
ния операционных усилителей в процессах обработки аналоговых сиг-
налов, например дифференцирование и интегрирование входного
напряжения как функции времени, логарифмирование, выпрямление
входного сигнала.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, операционные усилители 741С и LF411, тран-
зисторы 2N3904 и 2N3906, два кремниевых сигнальных диода 1N914,
один резистор 100 кОм, два 10 кОм, один 1 кОм с допустимой мощно-
стью 0,25 Вт, конденсаторы 0,0047 рФ и 0,033 рФ.
8.1. Обработка сигналов
операционными усилителями
Инвертирующий усилитель формируется из операционного усилителя
с резистором R на входе и резистором /?f в цепи обратной связи. Учиты-
вая незначительное влияние входного смещения напряжения, тока сме-
щения и смещения тока, а также принимая коэффициент усиления опе-
рационного усилителя с незамкнутой цепью обратной связи равным
бесконечности, коэффициент усиления инвертирующего усилителя бу-
дет равен:
А —
Av~ Д
В общем виде коэффициент усиления по напряжению инвертирую-
щего усилителя определяется из уравнения:
А = --
(8.1)
Рис, 8,1. Схема инвертирующего усилителя на базе операционного
усилителя.
Рис. 8.2. Базовая схема дифференциатора на основе операционного
усилителя.
Уравнение (8.1) используется при анализе частотных характеристик
схемы, когда на вход подается синусоида. При анализе схемы для про-
извольного входного сигнала рассматриваются временные характерис-
тики на основе закона Ома. При этом считается, что l( = 1, а коэффи-
циент усиления определяется по вольт-амперной характеристике.
8.1.1. Дифференциатор
На рис. 8.2 представлена базовая схема дифференциатора (не путай-
те с дифференциальным усилителем) на основе операционного усили-
теля, которая очень похожа на схему инвертирующего усилителя, толь-
ко на месте резистора стоит конденсатор. Кроме того, для этой схемы
не нужно организовывать два входа с одинаковым напряжением. Вы-
ходное напряжение будет определяться как:
<8-2>
где Q — заряд, накопленный конденсатором; Q = CV.m.
8.1. Обработка сигналов
Реактивное сопротивление конденсатора:
2#С
(8-3)
уменьшается с увеличением частоты. Так как в этой схеме Z = Хс, в
соответствии с уравнением (8.1) выходное напряжение дифференциа-
тора будет увеличиваться с увеличением частоты, делая схему чувстви-
тельной к высокочастотным шумам и склонной к нестабильности.
На практике применяется схема дифференциатора, представленная
на рис. 8.3. Для ограничения коэффициента усиления на высоких ча-
л
стотах соотношением Л/ - —на входе схемы используется резистор,
соединенный последовательно с конденсатором. При частоте входного
сигнала менее
2л7?5С
(8-4)
выходное напряжение в этой схеме определяется по формуле (8.2). Если
частота входного сигнала больше, чем по формуле (8.4), рабочие харак-
теристики схемы приближаются к таковым инвертирующего усилителя
с коэффициентом усиления по напряжению:
(8-5)
8.1.2. Интегратор
Если в схеме на рис. 8.2 поменять местами конденсатор и резистор, то полу-
чится схема интегратора на базе операционного усилителя (см. рис. 8.4).
Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле:

(8-6)
Рис. 8.3. Улучшенная схема дифференциатора.
Глава 8. Устройства на основе операционного усилителя
Рис. 8.4. Базовая схема интегратора.
Рис. 8.5. Улучшенная схема интегратора.
На практике применяется схема интегратора, представленная на
рис. 8.5. Для ограничения коэффициента усиления на низких частотах
в цепи обратной связи этой схемы применяется шунтирующий резис-
тор 7?s. Если его не ограничивать, наступает насыщение операционно-
го усилителя. Чтобы минимизировать смещение постоянного напря-
жения, применяется резистор с сопротивлением:
r2=^. При частоте входного сигнала ниже: (8-7)
/ =—-— 2ttRsC (8.8)
уравнение (8.6) недействительно. При этом рабочие характеристики схе-
мы приближаются к характеристикам инвертирующего усилителя с ко-
эффициентом усиления по напряжению:
(8-9)
8.1. Обработка сигналов операционными усилителями
8.1.3. Логарифмический и экспоненциальный
усилители
Используя диоды на входе или в цепи обратной связи, можно на основе
операционного усилителя получить схемы логарифмического и экспо-
ненциального усилителей, которые представлены на рис. 8.6 и 8.7 соот-
ветственно.
Ток в цепи обратной связи первого усилителя равен входному току,
который определяется входным напряжением:
(8.Ю)
Как известно, ток через диод находится в экспоненциальной зави-
симости от напряжения (см. главу 3):
еУриг
1{=Це nkr -1). (8-11)
Знак «минуса» в показателе степени указывает на то, что ток в цепи
обратной связи положительный, если входное напряжение отрицатель-
ное, потому что анод диода заведен на «землю». Коэффициент п описан
в главе 3, и для кремниевых диодов он равен 2, а для германиевых равен
1. Следовательно, выходное напряжение схемы будет:
Рис. 8.6. Логарифмический усилитель на основе операционного усилителя.
Рис. 8.7. Экспоненциальный усилитель на основе операционного усилителя.
Глава 8. Устройства на основе операционного усилителя
,, пкТ 7,
Кпи =--------In-/-;
е I.
пкТ
(In^-ln/^).
е
(8.12)
(8.13)
На практике в схеме применяются дополнительные компоненты для
компенсации температурной зависимости (см. уравнение (8.13)). Кроме
того, вместо диода применяется транзистор, так как экспериментально
доказано, что он дает более точную экспоненциальную зависимость в
более широком диапазоне токов.
8.2. Эксперименты
Эта глава поможет получить более подробную информацию о диффе-
ренциаторе, интеграторе, логарифмическом и экспоненциальном уси-
лителях и других схемах.
8.2.1. Дифференциатор и интегратор
Дифференциатор
Соберите схему в соответствии с рис. 8.3 с Д = 1 кОм, Rf = 10 кОм и
С = 0,033 мкФ. Установите на входе пилообразное напряжение с двой-
ной амплитудой 10 В и частотой 500 Гц.
► Задание
Тщательно измерьте напряжение на входе и период входного сигнала и
рассчитайте наклон напряжения по формуле:
dVm _ 2КР Р
dt Т
(8-14)
Теперь с помощью зондов осциллографа на первом его канале по-
смотрите выход функционального генератора, а на втором канале вы-
ход операционного усилителя. Вы увидите, что на выходе операцион-
ного усилителя будет прямоугольный сигнал с задержкой по фазе 90°,
т.е. выходной сигнал является отрицательным по времени дифферен-
циалом входного напряжения.
► Задание
Измерьте высоту выходного сигнала в вольтах.
Теоретически, оно должно быть:
^,=2ЛС
dVm
dt
(8.15)
8.2. Эксперименты 107
Теперь измените частоту входного сигнала на 10 кГц, а также умень-
шите амплитуду входного сигнала, чтобы избежать насыщения опера-
ционного усилителя. Зафиксируйте выходной сигнал на этой частоте.
Измерьте двойную амплитуду выходного напряжения и определите ко-
эффициент усиления.
► Задание
Прокомментируйте полученные результаты.
► Задание
Сравните результаты измерения на частоте 10 кГц с вычислениями по
формулам (8.15) и (8.5).
► Задание
На какой частоте данная схема функционирует как дифференциатор?
Интегратор
Соберите схему в соответствии с рис. 8.5 с /?s = 100кОм, Rt = R2 = 10кОм
и С = 0,047 мкФ. Установите на входе прямоугольное напряжение с
двойной амплитудой 1'В и частотой 10 кГц. На выходе операционного
усилителя будет пилообразный сигнал с задержкой по фазе 90°.
► Задание
Получите уравнение (8.6).
► Задание
Сравните выходное напряжение с расчетами.
Теперь измените частоту входного сигнала на 100 Гц.
► Задание
Зафиксируйте выходной сигнал на этой частоте. Объясните результат.
► Задание
Измерьте двойную амплитуду выходного напряжения и определите ко
эффипиент усиления. Сравните измерения с расчетами.
► Задание
Сравните результаты измерения на частотах 10 кГц и 100 Гц и проком-
ментируйте.
► Задание
На какой частоте данная схема функционирует как интегратор?
Глава 8. Устройства на основе операционного усилителя
8.2.2. Логарифмический и экспоненциальный
усилители
Соберите схему в соответствии с рис. 8.6 с R — 10 кОм или в соответ-
ствии с рис. 8.7 с Rf= 10кОм. На вход подается постоянное напряжение.
► Задание
Проверьте логарифмический или экспоненциальный коэффициент уси-
ления для нескольких значений входного напряжения.
► Задание
Объясните, как работает схема, и получите формулы зависимости меж-
ду выходным и входным напряжением.
► Задание
Постройте график по результатам измерений. Определите эксперимен-
тально значение коэффициента п для вашего диода.
► Задание
Как известно, логарифм нуля не определяется. Почему в логарифми-
ческом усилителе на выходе получаем ноль, когда на входе ноль?
8.2.3. Активный выпрямитель на основе
операционного усилителя
Схема простого полуволнового выпрямителя на базе операционного уси-
лителя представлена на рис. 8.8а. Соберите ее с R = 10 кОм, на вход
нужно подать синусоиду с частотой 100 Гц.
► Задание
Зафиксируйте входной и выходной сигнал на этой частоте.
Недостатком этой схемы является функционирование только в тече-
ние полупериода.
Рис. 8.8. Выпрямитель на базе операционного усилителя:
а — схема простого полуволнового выпрямителя;
б — улучшенная версия.
► Задание
Проверьте это утверждение.
Так как в операционном усилителе скорость нарастания напряже-
ния ограничена, ограничивается частота входного напряжения, чтобы
не наступило насыщение операционного усилителя. Увеличьте часто-
ту входного сигнала до 10 кГц и зафиксируйте результат на выходе
операционного усилителя и на выходе выпрямителя. Замените опера-
ционный усилитель 741 на более скоростной, например на LF411, и
повторите эксперимент. Повторите эксперимент, используя различ-
ные типы диодов (сигнальный диод типа 1N914 и выпрямительный
диод типа 1N4001).
Улучшенная схема выпрямителя представлена на рис. 8.86.
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 8.86 со скоростными компонента-
ми. Объясните, как работает схема. Объясните, почему эта схема лучше
предыдущей.
► Задание
Зафиксируйте входное и выходное напряжение на выходе операцион-
ного усилителя и на выходе выпрямителя на частотах 100 Гц и 10 кГц.
► Задание
Почему активный выпрямитель на основе операционного усилителя
лучше, чем простой диодный выпрямитель?
► Задание
Сравните функционирование операционных усилителей LF411 и 741.
8.2.4. Операционный усилитель с двухтактным
усилителем мощности на выходе
Обычный операционный усилитель (типа 741) не обеспечивает доста-
точный выходной ток для типичной нагрузки в 8 Ом (например, дина-
мик). Дополнительный каскад из двухтактного усилителя мощности на
выходе предназначен для обеспечения достаточного тока во многих
обычных системах. Когда требуется большая выходная мощность (в
несколько ватт), в качестве выходного каскада применяется пара Дар-
лингтона.
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 8.9а и зафиксируйте искажения
сигнала. Эта схема восприимчива к шуму. Установите на входе синусо-
иду с частотой 1 кГц.
на выходе:
а — цепь обратной связи начинается до выходного каскада;
б — цепь обратной связи начинается после выходного каскада.
► Задание
Зафиксируйте входной и выходной сигналы. Как они отличаются и
почему?
► Задание
Соедините цепь обратной связи в соответствии с рис. 8.96 и повторите
эксперимент. Какой сигнал на выходе операционного усилителя вы по-
лучили? Почему?
► Задание
Какая мощность рассеивается на динамике при амплитуде входного сиг-
нала 4 В? Сравните величину максимального тока на динамике с мак-
симальным током на выходе операционного усилителя.
► Задание
Сравните сигналы на входе, на выходе операционного усилителя и на
динамике в этих двух схемах. Объясните, почему операционный усили-
тель искажает сигнал.
► Задание
Рассчитайте общую мощность этой схемы.
► Задание
Какова допустимая максимальная амплитуда входного сигнала?
8.3. Добавочные эксперименты
Vout
А
ID
Логарифмический
усилитель
Линейный
усилитель
(коэффициент
усиления = А)
Экспоненциальный
усилитель
Vout
Рис. 8.10. Блок-схема экспоненциального усилителя.
8.3. Добавочные эксперименты
Такие математические операции, как логарифмирование и возведение в
степень, можно производить с помощью напряжения. Например, квад-
рат какого-нибудь числа можно найти, прологарифмировав его, затем
результат умножается на два, далее производится функция антилога-
рифмирования (см. рис. 8.10). Или произведение двух чисел равно ан-
тилогарифму суммы их логарифмов:
х2 = log 1 (21og х); (8.16)
ху = log 1 (log х + log у). (8.17)
Выберите какое-нибудь уравнение и составьте схему на основе опе-
рационных усилителей для его решения. Для проверки правильности
работы схемы сделайте график зависимости выходного напряжения от
входных напряжений. Рассмотрите ограничения для вашей схемы.
ГЛАВА 9
КОМПАРАТОРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ
Эта глава посвящена изучению положительной обратной связи в опера-
ционных усилителях. Неуправляемая положительная обратная связь
вызывает нежелательные колебания в схеме. Однако контролируемая
положительная обратная связь является основой генераторов. Будут
рассмотрены также схемы компараторов и активных фильтров.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, два операци-
онных усилителя 741, один операционный усилитель LF411, компара-
тор 311, таймер 555, один резистор 100 Ом, один резистор 820 Ом, два
резистора 7 кОм, два резистора 3,3 кОм, три резистора 10 кОм, один
резистор 100 кОм, один резистор 1 МОм, один резистор 10 МОм с допу-
стимой мощностью 0,25 Вт, три конденсатора 0,033 рФ, один конден-
сатор 0,01 рФ, один конденсатор 7 рФ, один светодиод с красным све-
чением, два стабилитрона (диода Зенера) на 3,3 В.
9.1. Эксперименты
9.1.1. Операционный усилитель как компаратор
Соберите схему в соответствии с рис. 9.1а. В этой схеме нет отрицатель-
ной обратной связи. Пороговым напряжением здесь является «земля».
Входное напряжение бывает выше или ниже порогового напряжения.
Выходное напряжение является результатом сравнения входного на-
пряжения с пороговым напряжением. Так как операционные усилите-
ли разрабатывались не для применения их без обратной связи, то срав-
Рис. 9.1. Компаратор:
а — операционный усилитель 741 с незамкнутой цепью обрат-
ной связи;
б — компаратор 311.
9.1. Эксперименты
нение напряжений они выполняют не очень хорошо. Однако в случае,
если не требуются высокие скорость и чувствительность, операцион-
ный усилитель 741 с незамкнутой цепью обратной связи можно приме-
нять в качестве адекватного компаратора.
► Задание
Подайте на вход схемы синусоиду с частотой 1 кГц и понаблюдайте, как
работает схема.
► Задание
Увеличьте частоту входного сигнала до 100 кГц. Обратите внимание,
что прямоугольные импульсы на выходе не очень прямоугольные. За-
мените операционный усилитель 741 на операционный усилитель LF411
и повторите эксперимент.
► Задание
Опишите выходной сигнал в обоих случаях. Измерьте амплитуду вы-
ходного сигнала и смещение напряжения в обоих случаях. Объясните
ваши измерения.
► Задание
Какой из двух операционных усилителей больше подходит для применения
в качестве компаратора? Какие характеристики операционных усилителей
ограничивают применение их на высоких частотах в качестве компаратора?
Теперь соберите схему в соответствии с рис. 9.16. Микросхема 311
специально разработана для работы без обратной связи или с положи-
тельной обратной связью. Выходной каскад 311 отличается от такового
в обычных операционных усилителях: у него есть положительный вы-
ход (вывод 7) и отрицательный выход (вывод 1). Мы будем использо-
вать положительный выход. Поэтому на сопротивление нагрузки пода-
ется положительное напряжение. Для определения уровня выходного
напряжения отрицательный выход обычно заземляется.
Следует заметить, что положительный выход микросхемы — это кол-
лектор биполярного транзистора ири-типа. Он не может быть источни-
ком тока, а является стоком для тока. Когда выход транзистора выклю-
чен (напряжение на базе меньше или равно напряжению на эмиттере),
коллектор снимает ток с резистора нагрузки. Когда напряжение на базе
превышает на 0,7 В напряжение на эмиттере, транзистор насыщается, и
на выход микросхемы поступает напряжение эмиттера. Такое подклю-
чение микросхемы 311 позволяет применять ее для любых сигналов,
которые используются в цифровой технике.
► Задание
Выберите подходящие значения для Г и И. На вход подайте синусоиду
с частотой 100 кГц и наблюдайте выходной сигнал.
8 - 1902.
► Задание
Измените V+ и V. Запишите и объясните изменения выходного сигнала.
► Задание
Как отличается выходной сигнал микросхемы 311 от выходного сигна-
ла операционного усилителя? Какова скорость нарастания напряжения
в микросхеме 311?
9.1.2. Самопроизвольная обратная связь
Когда между входами микросхемы 311 небольшая разница напря-
жений, на выходе наблюдается нежелательный побочный эффект.
Неизбежная емкость соединений (порядка нескольких пикофарад)
между входом и выходом образует некоторую обратную связь, кото-
рая при переключении состояния выхода посылает небольшой пик
напряжения на вход. Этот эффект приводит к незатухающим коле-
баниям.
Попробуйте получить такие колебания на выходе микросхемы, по-
дав на вход пилообразный сигнал с очень маленьким наклоном (ма-
ленькая амплитуда и низкая частота). Используйте V+ = +15 В и зазем-
ленный V . Для усиления обратной связи подключите последовательно
с функциональным генератором резистор 10 кОм, как показано на
рис. 9.2. Когда вы будете наблюдать входной сигнал, подсоедините
заземление к зонду осциллографа
► Задание
Установите амплитуду входного сигнала несколько вольт, а частоту
100 кГц. Затем по шагам уменьшайте амплитуду и частоту до тех пор,
пока на выходе не появятся нежелательные колебания, аналогичные
диаграмме на рис. 9.2.
Рис. 9.2. Схема с компаратором 311 для демонстрации появления неже-
лательных колебаний.
9.1. Эксперименты
► Задание
Опишите полученные колебания. Какую часть периода занимают эти
колебания?
► Задание
Какие параметры входного сигнала вызывают нежелательные колебания?
► Задание
Как предотвратить нежелательные колебания?
► Задание
Почему операционный усилитель 741 в качестве компаратора менее
подвержен нежелательным колебаниям, чем компаратор 311?
9.1.3. Положительная обратная связь.
Триггер Шмидта
Проблему появления нежелательных колебаний можно устранить, добавив
управляемую положительную обратную связь (гистерезис), как показано на
рис. 9.3. Гистерезис делает также схему менее чувствительной к шуму.
Термин «гистерезис» применяется в триггере Шмидта потому, что у
компаратора два различных пороговых напряжения и напряжение из-
меняется между ними двумя. Пороговое напряжение на неинвертирую-
щем входе определяется как:
(9.1)
= у ______
r out Г) .
Рис. 9.3. Триггер Шмидта на базе компаратора 311.
8*
Так как выходное напряжение имеет два значения (+15 В и О В), то
и пороговое напряжение на неинвертирующем входе имеет тоже два
значения.
► Задание
Соберите схему триггера Шмидта. Подайте на вход сигнал с амплиту-
дой 1,5 В. Попытайтесь получить нежелательные колебания на выходе.
Вы убедитесь, что выходной сигнал с крутыми и чистыми фронтами
при любой частоте и амплитуде входного сигнала.
► Задание
Симметричен ли выходной сигнал? Если нет, то почему?
► Задание
Выведите на экран осциллографа сигналы с обоих входов компаратора.
Убедитесь, что они одинаковые. Объясните, как работает схема. Как
гистерезис предотвращает нежелательные колебания?
► Задание
Рассчитайте оба пороговых напряжения компаратора. Скольким воль-
там будет равен гистерезис? Сравните с вашими наблюдениями.
► Задание
Изменяя амплитуду входного сигнала, запишите значения выходного
сигнала. Ниже некоторой величины входного сигнала выход перестает
переключаться. При какой амплитуде входного сигнала это происхо-
дит? Почему?
9.1.4. Генератор прямоугольных импульсов
Если добавить в схему триггера Шмидта RC-цепочку, то получим гене-
ратор прямоугольных импульсов (см. рис. 9.4). Так как выход компара-
тора заведен и на инвертирующий вход, и на неинвертирующий вход,
то в этой схеме есть и положительная, и отрицательная обратная связь.
На вывод 1 микросхемы подается —15 В, сигнал от функционального
генератора не нужен. Частота генерации определяется как:
/ =
2ЛС1п 1 +1
.
(9-2)
► Задание
Объясните, как работает схема.
9.1. Эксперименты
Рис. 9.4. Генератор прямоугольных импульсов на основе компаратора.
► Задание
Чему равны пороговые напряжения?
► Задание
Почему схема работает без входного сигнала?
► Задание
Выведите формулу (9.2). Рассчитайте по ней частоту генерирования и
сравните ее с реальной частотой.
9.1.5. Интегральная схема таймера 555
В настоящее время уже не делают генераторы прямоугольных импуль-
сов на основе операционного усилителя или компаратора, так как ши-
роко распространенная серия микросхем генераторов прямоугольных
импульсов «таймер 555» обладает высокой стабильностью генерирова-
ния. Следует заметить, что таймер 555 не является операционным уси-
лителем или компаратором. Он — «комплект» генераторов. Блок-схема
таймера 555 представлена на рис. 9.5.
Микросхемы таймера 555 имеют 8 выводов, питание от источника
постоянного тока (от 4,5 В до 16 В). Так же как у компаратора, выход —
цифровой; высокий уровень напряжения сигнала равен Vcc, низкий —
Рис. 9.5. Блок-схема таймера 555.
около О В. Выходной ток — до 200 мА. Скорость нарастания напряже-
ния на выходе таймера 555 очень высокая, благодаря чему скорость
изменения состояния составляет 100 нс.
Два компаратора составляют основу схемы таймера 555 (см. рис. 9.5).
Когда пороговый вход верхнего компаратора больше 2/3 V его
выходное напряжение является высоким, а у нижнего компаратора
при этом выходное напряжение является низким. Когда триггер-
ный вход нижнего компаратора меньше 1/3 Vcc, его выходное на-
пряжение является высоким, а у верхнего компаратора при этом
выходное напряжение является низким. Входы таймера «Порог» и
«Триггер» спроектированы таким образом, что только на выходе
одного из компараторов в один и тот же момент времени есть на-
пряжение высокого уровня. Выходы компараторов заведены на вхо-
ды мультивибратора. При поступлении положительного сигнала на
вход «Запуск» выход мультивибратора устанавливается в ноль, при
поступлении положительного сигнала на вход «Перезапуск» выход
мультивибратора становится высоким. Высокое напряжение муль-
тивибратора включает транзисторный переключатель, который со-
единяет выход микросхемы «Разрядка» на «землю». Выходной кас-
кад — это инвертирующий буфер, который при высоком уровне
выходного напряжения мультивибратора устанавливает выходное на-
пряжение микросхемы в ноль, а при нулевом выходном напряже-
нии мультивибратора устанавливает выходное напряжение микро-
схемы в единицу.
+15
+15
Рис. 9.6. Применение таймера 555:
а — схема генератора;
б — схема генератора синхроимпульсов.
Соберите схему в соответствии с рис. 9.6а. Когда на выходе таймера
высокий уровень напряжения, конденсатор разряжается через резисто-
ры RA и Rb. Цикл повторяется при падении напряжения на конденсато-
ре до 1/3 Vcc. Частота генерации определяется как:
f . 1
J 0,7(Яа + 2Rb)C' (93)
► Задание
Какой выходной сигнал вы получили? Объясните, как работает эта схема.
► Задание
Выведите формулу (9.3). Рассчитайте по ней частоту генерирования и
сравните с измерениями.
► Задание
Измерьте напряжение на конденсаторе. Определите минимальное и
максимальное напряжение на конденсаторе.
► Задание
Измените схему: замените резистор Ав проводником Что произойдет?
Объясните, почему? Поставьте назад резистор RB.
► Задание
Измените напряжение питания на +5 В. Как изменится выходной сиг-
нал? Зависит ли частота выходного сигнала от напряжения питания?
Теперь соберите схему в соответствии с рис. 9.66. Это схема одно-
вибратора с длительностью выходного импульса
/=1,1ЛАС, (9.4)
которую можно наблюдать с помощью сигнального диода.
► Задание
Объясните работу этой схемы. Как в этой схеме блокируется генерация
импульсов?
► Задание
Измерьте длительность выходного импульса для различных значений
Т?А и С. Запишите результаты ваших измерений.
► Задание
Выведите уравнение (9.4). Соответствуют ли результаты ваших измере-
ний этой формуле? Если нет, то почему?
9.2. Добавочные эксперименты
9.2.1. Сигнализатор
Микросхема таймер 555 применяется в схеме сигнализатора тревоги
при поступлении некоторого сигнала. В этой схеме выход таймера 555
заведен на динамик. Для того чтобы сигнал тревоги не звучал непре-
рывно, вывод микросхемы «Перезапуск» заземляется. При этом этот
вывод называется разрешающим.
Соберите схему в соответствии с рис. 9.7. С помощью длинного про-
вода сделайте макет системы охраны. Разрезав его, вы должны услы-
шать сигнал тревоги.
Схему сигнализатора можно построить и на основе ждущего мульти-
вибратора (рис. 9.66). Сигнал тревоги звучит, когда сигнал от нарушен-
ной системы охраны поступает на выход таймера.
Рис. 9.7. Сигнализатор на основе таймера 555.
9.2. Добавочные эксперименты
Синус
Рис. 9.8. Генератор синуса/косинуса.
Схему сигнализатора можно построить также на основе двух генерато-
ров. Первый генератор при поступлении сигнала «Тревога» выдает сигнал
в течение нескольких секунд, его выход заведен на вход «Перезапуск» вто-
рого генератора, частота генерации которого соответствует какой-либо
аудиочастоте. Выход второго генератора соединен с динамиком.
9.2.2. Генератор синуса/косинуса
Как ни покажется странным, самым трудным для генерации является
синусоидальный сигнал.
Схема генератора синуса/косинуса представлена на рис. 9.8. Частота
генерации определяется по формуле:
если А] < R. Так как на каждый резистор есть производственный допуск
на номинал, а резистор должен соответствовать уравнению (9.5), то либо
на место А, надо ставить потенциометр, либо поставить параллельно
ему резистор 10 кОм.
Подключите собранную схему к питанию. Выведите оба выхода на
осциллограф.
► Задание
Сравните частоты обоих выходных сигналов. Равны ли они?
► Задание
Одинаковые ли у них фазы?
Глава 9. Компараторы и генераторы
► Задание
Измерьте двойную амплитуду синусоидального сигнала.
Объясните, как работает схема. Какую роль играют в схеме два ста-
билитрона, подключенные в противоположных направлениях?
9.2.3. Активный полосной фильтр
Активные полосные фильтры имеют ряд преимуществ по сравнению с
пассивными:
• у них ниже стоимость;
• выше входной импеданс и ниже выходной импеданс;
• легче настройка на нужную полосу пропускания.
Существенным недостатком активных полосных фильтров является
то, что их полоса пропускания ограничена частотной характеристикой
операционного усилителя.
Изменив немного схему активного полосного фильтра, получим схему
активного низкочастотного фильтра или активного высокочастотного
фильтра.
Соберите схему в соответствии с рис. 9.9. Включите питание и, из-
меняя его, получите на выходе синусоидальный сигнал с двойной амп-
литудой 1 В. Изменяйте частоту возбуждающего сигнала до тех пор,
пока на выходе не установится максимальная амплитуда синусоидаль-
ного сигнала. Определите ширину полосы пропускания и резонансную
частоту. Резонансная частота определяется при максимальной ампли-
туде выходного сигнала (14,1 В). Нижняя и верхняя частоты полосы
пропускания определяются при амплитуде выходного сигнала 10,0 В.
Сделайте необходимые измерения и постройте по ним график зависи-
мости коэффициента усиления от частоты.
Рис. 9.9. Активный полосной фильтр.
9.2. Добавочные эксперименты
Сравните полученную экспериментальным путем резонансную час-
тоту с результатом вычисления ее по формуле:
гL I 2
/о~ 2лС у ДЛ2 ’ (9 6>
Сравните полученный экспериментальным путем коэффициент уси-
ления по напряжению на резонансной частоте с результатом вычисле-
ния его по формуле:
л 1 Ъ
A°=~2~R/ (9-7)
Добротность полосного фильтра определяется по формуле:
Q= fn-fc (98)
Узкая полоса пропускания соответствует высокой добротности, а
широкая полоса пропускания соответствует низкой добротности. Тео-
ретически добротность определяется как:
°-Ж-
Сравните результаты формул (9.8) и (9.9).
Объясните, как работает схема.
(9-9)
ГЛАВА 10
КОМБИНАЦИОННЫЕ
ЛОГИЧЕСКИЕ
СХЕМЫ
Эта глава посвящена изучению цифровой логикой. Будут рассмотрены
схемы на дискретных компонентах и на микросхемах. Познакомимся с
серией 7400 КМОП и ТТЛ.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, один резистор 100 Ом, один резистор 330 Ом,
один резистор 1 кОм, один резистор 2,2 кОм, один резистор 3,3 кОм с
допустимой мощностью 0,25 Вт, два транзистора VN0610L, три транзи-
стора 2N3904, три диода, два светодиода (один из них с красным свече-
нием), 74НС00, 7432, 7485, 7486 ТТЛ, логические переключатели.
10.1. Основы цифровой логики
В отличие от аналоговых микросхем, на выходе которых можно полу-
чить любое напряжение в определенном диапазоне, на выходе цифро-
вых микросхем бывает только два значения напряжения, называемых
логическими уровнями. Эти логические уровни означают ноль или еди-
ницу в бинарной арифметике. Существует множество серий цифровой
электроники, но наиболее широко применяется серия 7400. Каждая серия
имеет свои уровни, скорость и рекомендованное применение.
По сравнению с микросхемами операционных усилителей, микросхемы
цифровой логики отличаются по некоторым параметрам: скорость пере-
ключения состояния их составляет порядка нескольких вольт в наносекун-
ду (сравните: со скоростью нарастания напряжения в операционных усили-
телях составляет несколько вольт в микросекунду); стоят они обычно 50
центов (операционные усилители стоят порядка несколько долларов).
10.1.1. Логические уровни
На выходе микросхем цифровой логики бывает только два значения
напряжения, называемых логическими уровнями, которые восприни-
маются как два возможных состояния различных интерпретаций (в за-
висимости от того, в какой системе применяется логика):
• «истина» или «ложь»;
• «ноль» или «единица»;
• «высокий» или «низкий».
10.1. Основы цифровой логики 125
В ТТЛ логике высокий уровень составляет от +2 до +2,5 В, низкий —
от +0,4 до +0,8 В, что обеспечивает помехоустойчивость микросхемы
(см. рис. 10.1). Как известно, максимальное напряжение шума составля-
ет 400 мВ, и если возникнет шум, то как низкий, так и высокий уровень
будут восприниматься адекватно. В логических микросхемах на основе
КМОП логические уровни составляют +3,5 и 1,5 В для входов и +4,5 и
0,5 В для выходов.
Напряжение питания ТТЛ микросхем составляет +5 В, напряжение
питания большинства КМОП логики лежит в диапазоне от +2 до +6 В.
Это зависит от напряжения Vcc в транзисторах микросхем.
В большинстве микросхем цифровой логики высокий уровень на-
пряжения соответствует значениям «истина» или «единица», а низ-
кий уровень напряжения — «ложь» или «ноль». Однако существует и
так называемая отрицательная логика, в которой высокий уровень
напряжения соответствует значениям «ложь» или «ноль», а низкий
уровень напряжения — «истина» или «единица». Кроме того, есть и
гибридная логика, в которой сочетаются положительная и отрица-
тельная логики.
Волы
5 у у
vcc v<
0

КМОП:
С, НС, АС
и АНС семейства
КМОП и ТТЛ:
НСТ, ACT, АНСТ,
S, F, LS, AS
и ALS семейства
Низковольтные КМОП:
LVC и ALVC семейства
Рис. 10.1. Логические уровни микросхем серии 7400.
Глава 10. Комбинационные логические схемы
10.1.2. Семейства логических схем
и их история
Как видно из табл. 10.1, существует множество типов микросхем циф-
ровой логики, каждый со своими параметрами, что сложилось истори-
чески. Они отличаются скоростными свойствами, потребляемой мощ-
ностью, входными и выходными токами. Кроме этих характеристик,
необходимо изучить ограничения на разветвления на выходе для каж-
дого типа. Например, один выход LS-ТТЛ можно завести на 12 входов
LS-TTJI, но только на 4 входа S-TTJI.
Маркировка микросхем .
цифровой логики серии 7400
Микросхемы ТТЛ серии 7400 стали популярны в 70-х годах прошлого
века; они соответствовали серии 5400 специального военного назначе-
ния. Маркировка этой серии микросхем (см. рис. 10.2) состоит и следу-
ющих частей: первые две буквы обозначают код производителя, далее
две цифры указывают на серию, следующие буквы обозначают семей-
ство, дальнейшие две цифры — это код типа кристалла, а последняя
буква может обозначать тип корпуса микросхемы, надежность или сте-
пень тестирования схемы.
Маркировка выводов микросхемы
и таблицы технических данных
Выводы микросхем цифровой логики маркируются, как правило, оди-
наково для всех семейств. Таблицы технических данных для микро-
схем цифровой логики находятся в свободном доступе. В них, кроме
прочего, указываются номера выводов микросхем, их маркировка и
значение каждой маркировки. Иногда приводятся логические схемы с
Таблица 10.1. Основные семейства микросхем серии 7400
Семейство Г од создания Основные характеристики
TTL 1968 ТТЛ на основе биполярных транзисторов
S 1974 ТТЛ на основе транзисторов Шотки
LS 1976 Маломощная ТТЛ на основе транзисторов Шотки
ALS 1979 Упреждающая маломощная ТТЛ на основе транзис- торов Шотки
F 1983 Быстродействующая ТТЛ
нс 1975 Высокоскоростная КМОП логика
нет 1975 Высокоскоростная КМОП логика (совместимая с ТТЛ)
АС 1985 Упреждающая КМОП логика
ACT 1985 Упреждающая КМОП логика (совместимая с ТТЛ)
LVC 1993 Низковольтная КМОП
АНС 1996 Упреждающая высокоскоростная КМОП логика
10.1. Основы цифровой логики
Рис. 10.2. Маркировка микросхем серии 7400.
указанием выводов микросхемы (см. рис. 10.2). Перед тем как приме-
нять любую микросхему, рекомендуется тщательно изучить таблицы
технических данных.
10.1.3. Логические схемы
Всего существует 6 базовых логических схем (см. рис. 10.3). Каждая
схема соответствует определенной логической функции. Следует заме-
тить, что существуют микросхемы, которые выполняют комплексные
логические функции, например мультиплексоры и декодеры. Хотя на
рис. 10.3 изображены логические схемы с двумя входами, есть логичес-
кие схемы с тремя, четырьмя и даже восьмью входами. Все логические
функции описаны теоремой де Моргана.
10.1.4. Булева алгебра
Логические операции лучше всего описывать с помощью булевой ал-
гебры. Допустим, есть две переменные А и В, тогда логические опера-
ции записываются:
А И В означает А В\
А ИЛИ В означает А+В,
А исключающее_ИЛ И В означает А®В\
НЕ А означает А ; ___
А И-НЕ В означает АВ\
А ИЛИ-HE В означает А + В .
В соответствии с теоремой де Моргана основные правила булевой
алгебры:
10. Комбинационные логические схемы
Л и в Out Л И-НЕ Л или в Out Исключающее ИЛИ ИЛИ-HE (сложение по модулю 2)
В Out Л В Out А в Out
L L L L L н L L L L L н L L L
L Н L L Н н L н Н L Н L L Н Н
Н L L Н L н Н L Н Н L L Н L Н
н Н Н н Н L н Н н Н Н L Н Н L
И-НЕ ИЛИ-HE Инвертер
Рис. 10.3. Стандартные логические схемы с таблицами истинности.
АВ = А + В
(ЮЛ)
и
А + В = АВ. (10.2)
На рис. 10.4 представлены логические схемы этих правил и соответ-
ствующие им таблицы истинности.
Как и в обычной алгебре, в булевой есть аксиомы и теоремы, по
которым производятся все операции. Альтернативный способ опреде-
ления состояния выхода — это таблицы всех состояний выхода от ком-
бинации всех вероятных состояний входов (см. рис. 10.4).
Рис. 10.4. Схематическое изображение теоремы де Моргана.
10.2. КМОП и ТТЛ
10.2. КМОП и ТТЛ
10.2.1. Диодная логика
Начнем рассмотрение электронного исполнения логических схем с про-
стого примера. Так как диоды пропускают ток только в одном направ-
лении, их можно использовать для осуществления логических функций
(см. рис. 10.5). Учитывая, что логические уровни — это Он +5 В, легко
доказать, что на выходе схемы будет напряжение +5 В, если оба вход-
ных напряжения будут +5 В. То есть схема на рис. 10.5 осуществляет
логическую функцию И. Соберите схему в соответствии с рис. 10.5 и
проверьте это утверждение.
Рис. 10.5. Диодная логическая схема с двумя входами.
Рис. 10.6. Диодно-транзисторная схема логической функции И-НЕ.
9 - 1902
10.2.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
На основе диодных логических схем в 60-х годах прошлого века были
разработаны диодно-транзисторные логические схемы. На рис. 10.6 пред-
ставлена логическая схема И-НЕ с использованием диодов и биполярных
транзисторов. Функционирует данная схема следующим образом:
Если на одном из входов ноль напряжения, то транзисторы и <23
закрыты. Транзистор <2, открыт (насыщен), что обеспечивает на выходе
(7) падение напряжения на двух диодах ниже Vcc.
Если на обоих входах высокий уровень напряжения, напряжение на
базе транзистора Qt уменьшается, он открывается и заставляет открыться
транзистор <23. Напряжение на базе транзистора Q2 падает, закрывая
транзистор Qy Так как транзистор <23 открыт, выход Т открывается.
Учитывая, что это схема положительной логики, напряжение на
выходе тем самым реализует логическую функцию И-НЕ.
Структура выхода схемы — каскадная, состоит из группы пакетиро-
ванных компонентов. Различные улучшения этой схемы и различные
способы ее изготовления породили множество семейств микросхем ТТЛ.
Входы и выходы микросхем ТТЛ
На схеме рис. 10.6 представлены типичные входы и выход микросхем
ТТЛ. Обычно выходы ТТЛ не могут служить источником даже очень ма-
ленького тока, хотя могут быть стоком десятков миллиампер. Светодиод
на выходе схемы сконструирован так, что излучает свет красного цвета
при высоком логическом уровне напряжения и свет более светлого цвета
при низком логическом уровне напряжения. Входы схемы являются ис-
точниками тока при низком логическом уровне напряжения и стоками
незначительного тока при высоком логическом уровне напряжения.
Входные и выходные токи для разных семейств микросхем ТТЛ раз-
личны. Конкретные их величины указываются в таблицах технических
характеристик.
10.2.3. Комплементарные микросхемы
цифровой логики (КМОП)
В 70-х годах прошлого века вместо микросхем цифровой логики на бипо-
лярных транзисторах появились семейства микросхем на основе КМОП
технологии. В основе новых микросхем цифровой логики лежат компле-
ментарные и-канальные и р-канальные МОП-транзисторы. Компания
Fairchild первая выпустила серию 4000 КМОП логики, другие производи-
тели также наладили выпуск семейства КМОП ТТЛ, такие как 74С, 74НС,
74НСТ, 74АС. Присутствие буквы «Т» в обозначении семейства указывает
на то, что микросхемы полностью совместимы с обычными микросхема-
ми ТТЛ. В 90-х годах микросхемы КМОП ТТЛ почти полностью вытесни-
ли микросхемы простой ТТЛ, однако они все еще производятся.
Как показано на рис. 10.7, положительное напряжение затвор-исток
вызывает ток по и-каналу между стоком и истоком. Напряжение зат-
вор-исток менее или равное нулю закрывает канал, и ток сток-исток
прекращается. При открытом канале сопротивление сток-исток доста-
точно мало (около 100 Ом), при закрытом канале сопротивление сток-
исток очень велико (порядка 1 МОм). Таким образом, каналы функци-
онируют как переключатели.
Для того чтобы открыть л-канал, на затворе должно быть положи-
тельное относительно стока напряжение.
Для р-канальных КМОП-транзисторов соотношение напряжений об-
ратное: канал открывается при отрицательном напряжении затвор-ис-
ток, а закрывается при положительном или равном нулю напряжении
затвор-исток.
Комбинирование и-канала с p-каналом дает комплементарную
пару переключателей, в которой они работают в противофазе. Ком-
плементарная пары, в которой такие каналы соединены параллель-
но, образует инвертер (НЕ). Логическая схема НЕ на комплемен-
тарной паре функционирует следующим образом. Когда на входе
высокий логический уровень напряжения, л-канал открыт, при этом
p-канал закрыт, а на выходе низкий логический уровень напряже-
ния. Если на входе низкий логический уровень напряжения, р-ка-
нал открыт, и-канал закрыт, а на выходе высокий логический уро-
вень напряжения.
Рис. 10.7. Схематическое изображение комплементарного МОП-тран-
зистора.
9
Глава 10. Комбинационные логические схемы
Рис. 10.8. Схема логической операции НЕ (инвертер) с использованием
комплементарной пары.
Рис. 10.9. Схема логической функции И-НЕ со светодиодным индикато-
ром для определения логических уровней.
Недостатком этой схемы является то, что если на входе будет про-
межуточное напряжение, то оба канала откроются и ток от источника
питания будет течь на выход через оба канала. При этом схема потреб-
ляет гораздо больше мощности, чем в устойчивом состоянии.
Другим недостатком является чувствительность этой схемы к ста-
тическому электричеству, разряд которого пробивает дыры в слое ок-
сида, и КМОП-микросхема выходит из строя. Чтобы минимизировать
случайный выход из строя КМОП-микросхем, для экспериментов лучше
выбрать микросхемы цифровой логики средней мощности. Чем выше
скорость переключения, тем выше чувствительность к статике.
10.2.4. Питание интегральных схем ТТЛ
Обычно питание микросхем цифровой логики составляет +5 В, незави-
симо от того, положительная это логика или отрицательная. Следует за-
метить, что количество выводов бывает разное. Но даже если у микро-
схем цифровой логики одинаковое количество выводов, то питание может
подаваться на различные выводы. Поэтому для каждой микросхемы нужно
точно определить, на какой вывод нужно подавать напряжение питания!
10.3. Эксперименты
10.3.1. Светодиодные логические индикаторы
и переключатели уровней
В стандартную макетную плату встроены 8 светодиодных индикаторов,
которые предназначены для определения логических уровней. Подайте на
вход индикатора напряжение +5 В и посмотрите, что будет на индикаторе.
► Задание
На вход индикатора подавайте изменяющееся от Одо +5 В напряжение.
Определите пороговое напряжение индикатора и сравните его с логи-
ческими уровнями микросхем ТТЛ.
В нижний правый угол макетной платы вмонтирован двухполюсный
переключатель, а в нижний левый угол — восьмиуровневый переключа-
тель. Ими можно имитировать работу логических элементов, как пока-
зано на рис. 10.10.
► Задание
Как используются переключатели для имитации логических уровней
напряжения? Объясните, как работают индикаторы.
На входы КМОП-микросхем цифровой логики необходимо пода-
вать точно определенные уровни напряжений. Следовательно, вход дол-
жен соединяться либо на источник питания, либо на «землю», либо на
выход другой КМОП микросхемы цифровой логики.
Рис. 10.10. Имитация логических уровней напряжения с помощью рези-
стора, переключателя и источника питания.
10.3.2. Комплементарные микросхемы
цифровой логики
Соберите схему в соответствии с рис. 10.11.
► Задание
Для каждой микросхемы (и р-канальной, и и-канальной), изменяя на-
пряжение на затворе от 0 до +5 В, измерьте сопротивление канала как
функцию напряжения на затворе. (Измерять нужно напряжение на вы-
ходе и определять сопротивление канала по формуле делителя напря-
жения.)
► Задание
По измерениям постройте графики зависимости сопротивления канала
от напряжения на затворе для каждой микросхемы. Прокомментируйте
ваши результаты.
Рис. 10.11. Схема для измерения сопротивления канала как функции на-
пряжения на затворе.
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 10.8 и определите ее функцию.
Вы легко можете это сделать с помощью индикатора.
► Задание
Подайте на вход схемы логические уровни напряжений и зафиксируйте
логический уровень напряжения на выходе. Сравните результаты с таб-
лицей истинности данного логического элемента.
► Задание
В функциональном генераторе при генерации прямоугольных импуль-
сов выходным каскадом является ТТЛ, с логическими уровнями напря-
жений 0 и +5 В. Подайте на вход схемы прямоугольные импульсы от
генератора функций. Измерьте скорость нарастания напряжения (ско-
рость переключения состояний) на выходе схемы. Сравните ее со ско-
ростью переключения входного сигнала.
► Задание
Измерьте входной и выходной импедансы схемы. Сравните ваши результа-
ты с расчетами. Выходной импеданс нужно измерять для обоих состояний.
Инвертер можно преобразовать в логический элемент И-Н Е добав-
лением дополнительной комплементарной пары. Соберите схему в со-
ответствии с рис. 10.9. Выход соедините с индикатором.
► Задание
С мощью переключателей проверьте таблицу истинности.
► Задание
Измерьте выходной импеданс в случае нулей и единиц на обоих входах.
Сравните ваши измерения с измерениями выходного импеданса инвер-
тора. Зависит ли выходной импеданс от логического уровня напряже-
ния на выходе? Как уровень выходного напряжения зависит от сопро-
тивления нагрузки?
10.3.3. КМОП-микросхема И-НЕ
Возьмите микросхему 74НС00, выполняющую логическую операцию
И-НЕ. В соответствии со схемой выводов (см. рис. 10.2) вывод № 7
подсоедините к «земле», а вывод № 14 к источнику питания +5 В.
В эксперименте будет использован только один из четырех модулей
микросхемы. Соедините выводы № 1 и № 2 с переключателем уров-
ней, а вывод № 3 с индикатором. Все остальные выводы нужно зазем-
лить. Дважды проверьте правильность соединений и только потом под-
ключите питание к макетной плате.
Глава 10. Комбинационные логические схемы
► Задание
Имитируйте все четыре комбинации входов и запишите состояние
выхода для каждой комбинации, т.е. составьте таблицу истинности.
► Задание
Соедините вывод 1 с +5 В, вывод 2 с ТТЛ выходом функционального
генератора. Измерьте задержку включения и задержку распростране-
ния. Задержка распространения измеряется с помощью осциллографа
на уровне 2,5 В. Сравните ваши измерения с параметрами, указанны-
ми в спецификации к этой микросхеме.
10.3.4. Использование логики И-НЕ
для реализации других логических функций
Логическая функция И-НЕ является универсальной функцией, так как
любую логическую операцию можно смоделировать на основе этой
функции.
► Задание
На основе только микросхем И-НЕ соберите схемы, выполняющие
функции И, ИЛИ и ИЛИ-НЕ.
Для выполнения этого задания необходимо использовать теоре-
му де Моргана (см. уравнения (10.1) и (10.2)). Обратите внимание,
что если два входа И-НЕ соединить вместе, то получится НЕ (ин-
вертер).
► Задание
Начертите принципиальные схемы к ответам предыдущего задания,
обозначьте номера выводов микросхем.
► Задание
Подведите к входам ваших схем логические уровни напряжений через
переключатели макетной платы. Изменяя комбинации входов, составьте
экспериментальные таблицы истинности для каждой схемы.
Рассмотрим логическую операцию, которая называется исключаю-
щее ИЛИ: на выходе должна быть единица, если на одном из входов
единица. В булевой алгебре она обозначается как А®В.
► Задание
Соберите схему для выполнения операции А®В на основе только мик-
росхем И-НЕ (пяти или четырех). Подключите индикаторы на каж-
дый вход схемы и на выход. Убедитесь, что ваша схема работает пра-
вильно.
► Задание
Объясните, как с помощью схемы исключающее ИЛИ можно прове-
рить равенство двух сигналов. Попробуйте это продемонстрировать на
вашей схеме. В каком случае загорается световой индикатор на выходе:
при равенстве двух сигналов или при их неравенстве? Почему?
10.3.5. Счетверенная ТТЛ микросхема
исключающее ИЛИ
Счетверенная ТТЛ микросхема исключающее ИЛИ семейства 7486 ис-
пользуется для проверки равенства двух 4-битных сигналов.
► Задание
Соберите схему на основе счетверенной ТТЛ микросхемы исключаю-
щее ИЛИ семейства 7486 проверки равенства двух 4-битных сигналов.
Сигналы будет имитировать 8-уровневый переключатель, вмонтирован-
ный в макетную плату.
► Задание
Начертите принципиальную схему вашего устройства сравнения, обо-
значив номера выводов микросхем.
► Задание
Подсоедините выход вашей схемы к индикатору и проверьте, правиль-
но ли она работает. Необходимо провести несколько экспериментов.
Запишите результаты ваших экспериментов.
10.4. Добавочный эксперимент
10.4.1. 4-битный компаратор 7485
Микросхема 4-битного компаратора 7485 выполняет ту же функцию,
что и схема в предыдущей главе. Проверьте это по описанию микросхе-
мы, а затем на макетной плате. Чем отличается работа микросхемы 7485
от работы схемы из пункта 10.3.5?
ГЛАВА 11
ТРИГГЕРЫ
В ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМАХ
Кроме того, что мы уже знаем о триггерах, эти устройства обладают
способностью запоминать свое состояние. Таким образом, •состояние
триггера зависит не только от состояния входа в данный момент, но и
от состояния схемы до поступления сигнала на вход. Схемы цифровой
логики, содержащие триггеры, называются последовательными логи-
ческими схемами, так как состояние выхода последовательно зависит
от состояния входа в настоящее время и от предыдущего состояния
входа. Для таких схем не составляются таблицы истинности. Для опи-
сания работы последовательной логической схемы используют времен-
ные диаграммы.
Разновидностью последовательных логических схем является конеч-
ный автомат, который меняет свое состояние с приходом каждого так-
тового импульса. Примерами конечного автомата служат делитель на
два и делитель на четыре. Как правило, работу конечного автомата опи-
сывает диаграмма переходов.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, два резистора 1 кОм с допустимой мощностью
0,25 Вт, микросхема И-НЕ (7400), сдвоенный триггер задержки (7474),
сдвоенный JK-триггер (74112).
11.1. Основные комментарии
11.1.1. Принципиальные схемы
Для каждого эксперимента необходимо начертить принципиальные схе-
мы, включая обозначения номеров выводов микросхем (питание и за-
земление можно не указывать). Тщательно проверяйте чертеж!
11.1.2. Размещение на макетной плате
Сборку схемы на макетной плате нужно начинать с подсоединения од-
ной вертикальной шины к питанию, а другой к «земле». Далее необхо-
димо расположить все компоненты схемы не беспорядочно, а так, что-
бы соединительные провода были как можно короче.
11.1. Основные комментарии
11.1.3. Логические схемы
с внутренней синхронизацией
В асинхронных логических схемах входные сигналы изменяются в лю-
бое время, проходят все необходимые части схемы без временного кон-
троля, и выходной сигнал будет абсолютно такой, как и требовалось.
В логических схемах с внутренней синхронизацией выходной сигнал
изменяется только в соответствии с синхроимпульсами. Обычно в схе-
ме задействован только один тактовый генератор. Синхронизация из-
менений состояний всех частей схемы производится либо по переднему
фронту, либо по заднему фронту синхроимпульсов. По сравнению с
асинхронными логические схемы с внутренней синхронизацией проще
проектировать и анализировать.
11.1.4. Временные диаграммы
Для анализа работы логических схем необходимы временные диаграм-
мы. Как изображено на рис. 11.1, временная диаграмма состоит из
графиков синхроимпульсов, входного сигнала и выходного сигнала.
Ось х — это время, ось у — логический уровень напряжения.
На временных диаграммах обозначены очень важные термины. Время
между фронтом синхроимпульса и фронтом выходного сигнала называет-
ся задержкой распространения. Минимальное время, за которое входной
сигнал должен быть стабильным после прошедшего фронта синхроим-
пульса, называется временем установки. Минимальное время, за которое
входной сигнал не изменяется при прохождении следующего фронта, на-
зывается временем удержания. Время, за которое сигнал изменяется от
одного логического уровня до другого, называется временем переключе-
ния. Причем время переключения с высокого уровня на низкий может
отличаться от времени переключения с низкого уровня на высокий.
tH - время удержания
tslJ - время установки
tTO - ширина импульса
tPD - задержка распростра-
нения
tTLH - время переключения
(от низкого до высокого)
tTHL - время переключения
(от высокого до низкого)
Рис. 11.1. Временная диаграмма триггера с синхронизацией по фронту
синхроимпульса.
Все эти временные параметры схемы обязательно указываются в таб-
лицах технических характеристик. Производители гарантируют стабиль-
ность этих параметров при условии соблюдения указанных условий эк-
сплуатации. Следует заметить, что реальные временные параметры
микросхем всегда лучше указанных в спецификациях. Также надо от-
метить, что некоторые временные параметры указываются в виде га-
рантированного диапазона.
11.2. Основные схемы триггеров
11.2.1. Простой RS-фиксатор
Схемы самого простого триггера представлена на рис. 11.2. Называется
такой триггер Л5-фиксатор. Она построена на основе двух логических схем
И-НЕ. Входы 5 и R называются соответственно «Пуск» и «Перезапуск».
5 включает выход Q, a R выключает. Выход Q противоположен выходу
Q. Входы данного триггера возбуждаются низким уровнем сигнала, т.е.,
согласно теореме де Моргана, это отрицательная логика.
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 11.2. Протестируйте ее и составьте
таблицу состояний. Объясните, как работает схема.
► Задание
Как будет функционировать схема А5-фиксатора, если ее построить на
положительной логике (ИЛИ-НЕ)?
11.2.2. Триггер задержки (D-muna)
На практике триггеры /?5’-типа используются редко. Наиболее широко
используются триггеры задержки (D-типа). Схема такого триггера (серия
7474) представлена на рис. 11.3. Триггер запоминает состояние входа D на
время прохождения синхроимпульса, но не воспринимает этот вход во все
другое время. Синхронизация в микросхеме осуществляется по положи-
тельному фронту (переход от низкого логического уровня на высокий).
R S ° п+1 Qn«i
Н Н On on
V Н L н
н V Н L
L L Н* Н*
Рис. 11.2. Схемы простого RS-фиксатора на основе двух логических схем
И-НЕ и таблица состояний.
11.2. Основные
Рис. 11.3. Схема выводов микросхемы 7474 —
состояний микросхемы 7474.
R S С о
Н н L X Qn
Н н Н X Q„ Qn
V н X X L H
н V X X H L
L L X X н* H*
Н Н .г L L H
Н Н т Н Н L
триггера Р-типа; таблица
Выходной
сигнал
Состояние вы-
хода неопреде-
Неопределенное состояние
выхода из-за совпадения
фронтов входного сигнала и
синхроимпульса
Входной
сигнал
/Состояние выхода\
/стабильное между
1 двумя положитель-
ными фронтами
синхроимпульсов
хода первого
фронта синхро-
Время установки не
. достаточно
Синхроимпульсы
Рис. 11.4. Временная диаграмма триггера задержки (серия 7474).
► Задание
Проверьте входы 5 и R поотношению к синхроимпульсу и входу D.
Например, подайте на вход R низкий логический уровень напряжения
и посмотрите, будут ли проходить синхроимпульсы и высокий уровень
на входе D.
► Задание
Отсоедините вход D от логического переключателя и соедините выход
Q на вход D — вы получите переключающийся триггер. Что произой-
дет, если подать синхроимпульсы?
► Задание
Попробуйте тактировать переключающийся григгер функциональ-
ным генератором, установив на нем режим прямоугольных сигна-
лов. С помощью осциллографа посмотрите вход и выход триггера.
Такая схема называется делитель на два. Объясните, почему ее так
называют?
Глава 11. Триггеры в логических схемах
► Задание
Измерьте задержку распространения данного триггера. Что такое задер-
жка распространения? Какая задержка распространения указана в спе-
цификации для данной микросхемы?
11.3. JK-триггер
На рис. И.5 изображена микросхема Ж-триггера, который может осу-
ществлять более широкий круг логических операций, чем ©-триггер.
Синхронизация в схеме Ж-триггера осуществляется по отрицательно-
му фронту синхроимпульсов. Многие производители поставляют на
рынок микросхемы триггеров, но для изучения работы Ж-триггера ре-
комендуется взять микросхему 74II2. Тщательно изучите технические
характеристики этой микросхемы.
► Задание
Подсоедините вывод микросхемы elk к тактовому генератору, входы J и
К к логическому переключателю. Проверьте состояние выходов при
всех четырех состояниях входов. Запишите таблицу состояний.
► Задание
Если вы через инвертор (микросхему И-НЕ) соедините J на К, то полу-
чится схема .D-триггера. Сделайте такое соединение, подавайте на вход J
через логические переключатели логические уровни и составьте таблицу
состояний этой схемы. Убедитесь, что она работает, как ©-триггер.
► Задание
Уберите инвертор и соедините входы J и К вместе. Составьте таблицу
состояний для этой схемы. Объясните, как работает схема. Чем она
отличается от переключающегося триггера?
Рис. 11.5. Микросхема Ж-триггера серии 74112.
11.4. Выход с тремя состояниями
11.4. Выход с тремя состояниями
Мы рассматривали микросхемы цифровой логики, выход которых может
быть только в двух состояниях. В настоящее время появились интегральные
схемы цифровой логики, выход которых может быть в трех состояниях.
В системах бывает необходимо полностью отключить выход. Для этого
изобрели третье состояние выхода — с высоким импедансом. Стандартный
пример применения этого состояния выхода — это параллельное соединение
нескольких микросхем памяти для получения большой системы памя ти.
Мы изучим применение третьего состояния выхода триггера на при-
мере микросхемы 74373, которая часто используется для параллельной
передачи данных на шину данных. Все восемь выходов триггера будут
функционировать, если на выходе ОЕ удерживается низкий логичес-
кий уровень, и все они перейдут в третье состояние с высоким импе-
дансом, если состояние ОЕ будет высоким.
Вместо тактового генератора в микросхемах 74373 для фиксации со-
стояния применяется вывод LE . Данные передаются через вход на
выход, если LE высокое, и все выходы удерживают свое состояние
(фиксируют), если LE низкое. Такой тип триггера называется транс-
парентным (незаметным) фиксатором — «защелкой».
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 11.6. Убедитесь, что на LE высо-
кий уровень, а на ОЕ низкий. Выберите какой-нибудь вход D и подай-
те на него логические уровни. Обратите внимание, что выход Q повто-
ряет состояние входа. Измерьте задержку распространения.
► Задание
Установите на входе D высокий уровень и определите, как будет изме-
няться напряжение на выходе, если изменять положение скользящего
контакта на потенциометре. Повторите эксперимент с низким уровнем
на входе D. Объясните, почему изменение сопротивления нагрузки не
влияет на выходное напряжение?
Рис. П.6. Микросхема 74373:
а — схема расположения выводов;
б — схема подключения к питанию.
► Задание
Установите низкий уровень на LE. Будет ли изменяться логический
уровень на выходе при изменении состояния входа? Объясните ваши
наблюдения.
► Задание
Установите высокий уровень на LE и на ОЕ. Изменяйте с помощью
потенциометра сопротивление нагрузки. Будет ли изменяться напряже-
ние на выходе? Объясните, почему. Отличается ли при этом выходное
напряжение для различных состояний входа?
► Задание
Установите любой уровень на входе. Затем установите низкий уровень
на LE. Состояние входа должно быть зафиксировано.
► Задание
Установите низкий уровень на ОЕ. Проверьте, остается ли зафиксиро-
ванным состояние входа.
► Задание
На основе экспериментов объясните, как работает микросхема 74373.
11.5. Применение триггеров
11.5.1. Делитель на 4 на основе JK-триггера
Асинхронный делитель на 4
Соберите схему делителя на 4 из двух переключающихся триггеров
(см. рис. 11.7). Эту схему называют еще 2-битным счетчиком.
Рис. 11.7. Схема делителя на 4 (2-битного счетчика, счетчика со сквоз-
ным переносом).
11.5. Применение триггеров
► Задание
Так как синхроимпульсы подаются в этой схеме только на один триг-
гер, то счетчик является асинхронным или счетчиком со сквозным пе-
реносом. Выходы схемы соедините с индикаторами. Убедитесь, что на
выходе изменение состояний происходит за четверть периода синхро-
импульса. Составьте таблицу состояний данной схемы.
► Задание
Выведите синхроимпульсы и выходное напряжение на экран осцил-
лографа. Начертите временную диаграмму для этой схемы.
► Задание
Выведите на экран осциллографа сигналы с выходов QB и Qr Изменяя
скорость развертки осциллографа, добейтесь того, чтобы эти два сигнала
не изменялись в одно и то же время. Объясните, что вы наблюдаете.
Синхронный делитель на 4
На рис. 11.8 представлена схема синхронного делителя на 4. Соберите
схему в соответствии с рис. 1.8.
► Задание
С помощью осциллографа получите временную диаграмму данной схе-
мы. Объясните, почему схему можно построить только на /Л-триггерах.
11.5.2. Дребезг контактов
Когда используют механические переключатели, возникает эффект
«дребезг контактов». Это означает, что в период несколько миллисе-
кунд контакты находятся ни в одном из устойчивых положений. Это
10- 1902.
+5
Рис. 11.9. Дребезг контактов:
а — схема для наблюдения дребезга контактов;
б — использование микросхем И-НЕ в противодребезговых
цепях.
не имеет значения в бытовых переключателях, но если с их помощью
осуществляется подача, например, синхроимпульсов в таком высо-
коскоростном устройстве, как счетчик, то оно будет реагировать на
каждый дребезг.
С помощью осциллографа изучите эффект дребезга контактов пере-
ключателя (см. рис. 11.9а).
► Задание
Опишите воздействие эффекта дребезга контактов на выходной сигнал
в схеме рис. 11.9а.
► Задание
Подайте на схему делителя на 4 синхроимпульсы через переключатель.
Что произойдет? Запишите ваши наблюдения. Как воздействует дребезг
контактов на последовательность состояний?
RS-фиксатор как противодребезговый триггер
Схема, в которой /?5’-фиксатор используется как противодребезговый
триггер, представлена на рис. 11.96.
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 11.96. Используйте ЛУ-фиксатор
для подачи синхроимпульсов на схему синхронного делителя на 4. Из-
меняйте последовательность синхроимпульсов с помощью переключа-
теля. Наблюдаете ли вы влияние дребезга контактов? Объясните, как
работает схема.
11.5. Применение триггеров
11.5.3. Электронное устройство
для приема монет
A.S'-фиксатор как противодребезговый триггер в сочетании с триггером
Л-типа используется в устройстве приема монет в игровых автоматах.
Соедините выход ЛУ-фиксатора с входом для синхроимпульсов тригге-
ра 2)-типа. Выход функционального генератора соедините с входом D, а
выход Q соедините с индикатором. На генераторе функций установите
частоту 10 Гц. Включайте и выключайте переключатель. Что будет на
выходе?
Задание
Начертите принципиальную схему этого устройства с указанием номе-
ров выводов микросхем. Объясните, как работает эта схема.
10*
ГЛАВА 12
ЖДУЩИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ,
СЧЕТЧИКИ, МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ,
ПАМЯТЬ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ
ДОСТУПОМ
В этой главе рассмотрим несколько устройств, которые широко исполь-
зуются в цифровой технике. Иногда, например, требуется изменять
ширину логического импульса. Для решения этой задачи используется
ждущий мультивибратор. Известно множество семейств микросхем жду-
щего мультивибратора: 74121,74122, 74123 и т.д. Также рассмотрим схемы
счетчиков, которые используются в блоках отсчета времени, адресных
блоках и других устройствах.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, резисторы, конденсаторы, микросхема И-НЕ
(7400), два счетчика 7490, один счетчик 7493, ждущий мультивибратор
74121, мультиплексор 74150, микросхемы памяти 7489, 74189 или 74219,
два дисплея TIL311.
12.1. Мультивибраторы
Мультивибраторы делятся на три категории:
1) несинхронизированный мультивибратор. Его схема не имеет ста-
бильного состояния, а переключается из одного состояния в другое,
что, собственно, и соответствует названию «мультивибратор». Такая схема
широко применяется в генераторах (см. главу 9);
2) мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями. Примером
такого мультивибратора служит триггер;
3) мультивибратор с одним устойчивым состоянием (одновибратор,
ждущий мультивибратор). Из этого состояния его можно вывести им-
пульсом триггера, но через определенное время одновибратор возвра-
щается в свое состояние. Это свойство ждущего мультивибратора ис-
пользуется для преобразования входных импульсов в импульсы более
короткие или более длинные или импульсы изменяющейся длительно-
сти. Одновибратор широко используется для генерации строб-импульса
для счетчиков. Схема ждущего мультивибратора используется в гибрид-
ных аналогово-цифровых микросхемах.
12.3. Эксперименты
12.2. Счетчики
В предыдущей главе была рассмотрена схема делителя на 4, это 2-бит-
ный двоичный счетчик. Выпускаются обычно микросхемы 4-битных
(и более) двоичных счетчиков с входами и выходами, позволяющими
образовывать каскады (8-битные, 12-битные и тому подобные счетчики).
4-битные двоичные счетчики считают от 0 до 15, передают импульс
на следующий каскад и возвращаются к 0.
Десятичные счетчики функционируют по такому же принципу, что и
двоичные, но считают не до 15, а до 9 и передают импульс на следующий
каскад. В этом случае можно использовать дисплей и сразу же индициро-
вать сигнал; представление числа в десятичном виде более легко восприни-
мается. Десятичные счетчики формируются из пяти каскадов делителя на 2.
12.3. Эксперименты
12.3.1. Десятичный счетчик
со сквозным переносом
На рис. 12.1 представлена схема десятичного счетчика со сквозным пере-
носом серии 7490. Запускается он через вход для тактовых импульсов.
Данный счетчик состоит из одного каскада делителя на 2 и трех каскадов
делителя на 5. Эти каскады могут быть соединены двумя различными
способами. При первом способе счет идет последовательно от 0 до 9, при
втором происходит деление на 10.
► Задание
Нарисуйте схему соединений каскадов счетчика 7490, в которой будет
происходить деление на 10. Тактовые импульсы заводятся от генератора
прямоугольных импульсов. Соберите эту схему и убедитесь, что им-
пульсы на выходе имеют частоту 0,1 частоты тактовых импульсов. Со-
ставьте таблицу состояний и временную диаграмму.
Рис. 12.1. Схема выводов десятичного счетчика серии 7490.
Рис. 12.2. Схема выводов шестнадцатеричного дисплея TIL311.
► Задание
На основе микросхемы 7490 составьте схему десятичного счетчика так-
товых импульсов.
► Задание
Выведите результат счета на дисплей TIL311 (см. рис. 12.2). Выводы
DO — D3 — входы данных.
Дисплей TIL311
Микросхема TIL311 удобный и недорогой шестнадцатеричный дисп-
лей, в одном корпусе которого смонтированы собственно дисплей (жид-
кокристаллический), драйвер, фиксатор (защелка), сохраняющий 4 вход-
ных бита, и декодер. Схема выводов TIL311 представлена на рис. 12.2.
Следует заметить, что выводы 6, 9 и 11 отсутствуют. Подробное описа-
ние устройства есть на сайте Texas Instruments. Хотя схема дисплея по-
строена на ТТЛ, вход его совместим не только с ТТЛ, но и с уровнями
КМОП логики.
Чтобы производить индикацию 4-битного шестнадцатеричного чис-
ла, необходимо задействовать выводы DO, DI, D2 и D3, при этом стар-
ший бит подается на вывод D3. Запирающий вход DI используется для
блокировки дисплея, вход фиксатора LE — для включения запомина-
ния входного сигнала. Для перевода входа в десятеричное число задей-
ствуются входы DPI или DPR. При этом на входе необходимо исполь-
зовать ограничивающий ток резистор.
► Задание
Подсоедините дисплей TIL311 к выходу счетчика. Подавайте через пе-
реключатель на ваш счетчик тактовые импульсы и наблюдайте, как ра-
ботают счетчик и дисплей. Составьте таблицу состояний и времен-
ную диаграмму.
12.3. Эксперименты
► Задание
Уберите из схемы резисторы А(| и и определите, как при этом работа-
ют счетчик и дисплей.
► Задание
Добавьте второй счетчик 7490 с дисплеем TIL311 так, чтобы можно
было считать от 0 до 99. Подавайте на вашу новую схему прямоуголь-
ные импульсы с частотой несколько герц и наблюдайте, как работает
схема.
12.3.2. Ждущий мультивибратор
Задачей данного эксперимента является создание схемы, которая будет
генерировать импульсы длительностью около 500 мкс. Временная диаг-
рамма этой схемы представлена на рис. 12.3. Счетчик будет считать
тактовые импульсы в течение длительности импульса от ждущего муль-
тивибратора.
На рис. 12.4 представлены схемы выводов ждущих мультивибрато-
ров 74121 и 74123. Время будет задаваться RC-цепью. Чтобы правильно
выбрать номиналы резистора и конденсатора, необходимо изучить опи-
сание микросхем 74121 и 74123. Длительность выходного импульса оп-
ределяется по формуле (12.1):

1112/^,(74121) '
^xtCex,(74Z5123)
Д.х,Сех,(74//С123)
(12.1)
Коэффициент К указан в спецификации микросхемы.
Выходной импульс начинается при прохождении переднего фронта
импульса на входе триггера. В качестве входа триггера можно использо-
вать один или оба входа А или только один вход В (см. рис. 12.4).
Тактовые импульсы
на логической схеме
Рис. 12.3. Временная диаграмма.
Импульс на выходе
логической схемы
Тактовые
импульсы
► Задание
Разработайте схему, которая функционировала бы в соответствии с
временной диаграммой на рис. 12.3. Сделайте чертеж этой схемы с ука-
занием номеров выводов микросхем.
Подавая на вход схемы тактовые сигналы через переключатель, оп-
ределите зависимость длительности выходного сигнала от количества
тактовых импульсов (частоты). Для калибровки схемы используйте ос-
циллограф.
► Задание
Соберите вашу схему на макетной плате. Используйте кнопку макетной
платы для сброса счетчика в 0.
► Задание
Сбросьте счетчик и запустите схему. Как длительность выходного им-
пульса зависит от числа на счетчике? Почему? Какую частоту тактовых
импульсов вы выбрали? Почему?
► Задание
Повторите эксперимент 10 раз, чтобы определить повторяемость и стабиль-
ность выходного импульса. Нарисуйте гистограмму ваших измерений.
Тактовые импульсы после логической обработки
Когда получают на выходе логической схемы импульс определенной
длительности, тактовые импульсы необходимо подавать на логическую
схему в течение этого времени. Если это делается с помощью кнопоч-
ного переключателя, то наблюдается искажение тактовых импульсов
(см. рис. 12.5). Естественно, мощность нестандартных тактовых импуль-
сов будет меньше, чем мощность стандартных тактовых импульсов. Так
Тактовые импульсы
после логической обработки
Нестандартные тактовые импульсы
Сигнал на выходе
логической схемы
Тактовые импульсы
Рис. 12.5. Нестандартные тактовые импульсы после логической обработки.
как такие импульсы управляют триггером или счетчиком, необходимо
найти способ избежать искажений тактовых импульсов. Решением этой
проблемы является применение схемы синхронизации (например, мик-
росхемы 74120) или каскада из двух триггеров.
► Задание
Почему в вашей схеме нет проблемы искажения тактовых импульсов,
которые управляют длительностью выходного импульса?
Микросхема 74123 имеет несколько дополнительных функций, ко-
торые мы не используем в данном эксперименте. Например, с помо-
щью входа «Сброс» осуществляется функция повторного запуска.
12.3.3. Мультиплексор
Мультиплексором называется устройство, которое соединяет один их
и входов с выходом. Он способен выбрать один из и различных вход-
ных сигналов, т.е. в нем есть некоторая логическая функция, напри-
мер соединять каждый из входов, который меньше (или больше)
эталона.
Мультиплексор можно использовать вместе со счетчиком для гене-
рации произвольной последовательности импульсов: в течение каждого
тактового цикла выбирается входной сигнал и формируется выходной
сигнал, который меньше или больше соответствующего входного сиг-
нала. Это пример конечного автомата. Конечные автоматы широко при-
меняются в системах автоматики.
Подключите входы А~ D мультиплексора 74150 к выходам счетчика.
При этом на входе «Разрешение» необходимо установить низкий логи-
ческий уровень.
► Задание
Какой отбор входных сигналов осуществляется: в возрастающем или
убывающем порядке? Что нужно сделать, чтобы это определить? Про-
ведите этот эксперимент и определите порядок отбора.
Рис. 12.6. Схема выводов мультиплексора 74150.
► Задание
Подсоедините выходы мультиплексора к логическому индикатору, за-
пустите счетчик и проверьте свои выводы. Составьте таблицу состоя-
ний этой функции мультиплексора 74150.
12.3.4. Память с произвольным доступом (RAM)
Микросхема памяти с произвольным доступом (RAM) состоит из боль-
шого числа триггеров. Каждый триггер имеет определенный адрес, ко-
торый используется при записи и считывании. Чаще всего триггеры
скомпанованы в многобитные слова с определенным адресом.
Рис. 12.7. Схема выводов микросхемы памяти с произвольным доступом
(RAM) 7489.
12.3. Эксперименты 155
Например, микросхемы 7489 (см. рис. 12.7), 74189 и 74219 сохраняют
шестнадцатеричные слова по 4 бита каждое. Входы А — D микросхемы
7489 предназначены для 4-битного адреса слова, входы DIy — ВЦ — для
записи данных по соответствующему адресу, а выходы DO t — DOr — для
чтения данных по соответствующему адресу.
Чтобы записать 4-битное слово в память, на входе WE устанавлива-
ется низкий логический уровень. При этом состояние входов микро-
схемы записывается по соответствующему адресу. Когда на вход WE
подается высокий логический уровень, состояние входов микросхемы
памяти не записывается. Считывание слова по определенному адресу
происходит независимо от состояния на входе WE. При изменении
адреса на выходе микросхемы устанавливаются данные нового адреса,
поэтому такие микросхемы памяти называются «с произвольным дос-
тупом».
Так как микросхема RAM 7489 работает с шестнадцатеричными
словами, в вашей схеме необходимо заменить десятеричный счет-
чик 7490 на 4-битный счетчик 7493. Выводы этих счетчиков совме-
стимы.
► Задание
Подайте на вход счетчика тактовые импульсы через переключатель.
Изменяйте количество тактовых импульсов от 0 (0000) до F (1111).
Выходы с открытым коллектором
Микросхемы памяти с произвольным доступом (RAM) спроектирова-
ны так, чтобы можно было их легко уплотнить без дополнительных
компонентов. В версии ТТЛ микросхемы 7489 выходы реализованы с
открытым коллектором. Это означает, что выходные транзисторы не
функционируют должным образом без резистора нагрузки на +5 В. Так
как нам в эксперименте не нужно быстродействие, такими резисторами
будут резисторы с сопротивлением от нескольких сотен ом до 10 кОм.
Большинство современных микросхем памяти имеют выходы с тремя
состояниями.
Вывод ME используется, если выходы микросхем памяти соедине-
ны вместе, и позволяет выключить все выходы, кроме выходов одной
микросхемы. Для этого на ME выбранной микросхемы должен быть
низкий логическийуровень. Следовательно, в вашей схеме необходимо
заземлить вывод ME .
► Задание
Соедините выходы счетчика с адресными входами микросхемы па-
мяти, а выходы данных микросхемы памяти выведите на второй дис-
плей TIL311. Соедините входы данных и вход WE на переключатель
уровней.
Глава 12. Другие логические схемы
► Задание
С помощью адресного счетчика, а также переключений уровней на вход
WE занесите в вашу память несколько шестнадцатеричных чисел. Убе-
дитесь, что запись произошла. Зарисуйте вашу схему с указанием номе-
ров выводов. Объясните, как работает схема.
► Задание
Как с помощью мультиплексора можно сократить последовательность
шестнадцатеричных адресов?
ГЛАВА 13
АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ
И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Данная глава посвящена изучению способов преобразования аналого-
вого напряжения или тока в цифровые значения, и наоборот, или, дру-
гими словами, преобразования аналоговой информации в цифровую и
обратно. В настоящее время микросхемы аналогово-цифровых преоб-
разователей (АЦП) и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) обла-
дают высокими скоростью преобразования и надежностью; они просты
в использовании и недорогие. Это позволяет развивать методы записи и
обработки аудио- и видеоинформации, автоматизацию управления мно-
гих технологических процессов, компьютеризацию лабораторных ис-
следований.
Требуемая аппаратура: макетная плата, осциллограф, универсальный
измерительный прибор, дисплей TIL311, компаратор 311, операцион-
ный усилитель 741, счетчик 74191, ЦАП 0806, АЦП 0804, одна микро-
схема НЕ-И 7400, ТТЛ 7432, сдвоенный /А’-триггер 74112, декодер 74138
и 4 сдвоенных триггера задержки 7474, резисторы, конденсаторы.
13.1. Простой ЦАП
Как уже рассматривалось выше, у операционного усилителя в схеме
инвертирующего усилителя неинвертирующий вход заземлен, а инвер-
тирующий вход соединен с выходом через резистор обратной связи и
функционирует как виртуальная «земля». Если через резистор R подать
на инвертирующий вход операционного усилителя напряжение Ц то
будет течь ток V/R. Предположим, что на инвертирующем входе четыре
резистора R, 2R, 4R и 8/?. Соответствующие токи в схеме будут нахо-
диться в пропорции 8 : 4 : 2 : 1 (см. рис. 13.1а).
В счетчике 74191 имеется четыре выхода, при этом выход Q3 являет-
ся старшим двоичным разрядом, а выход Qo — младшим двоичным раз-
рядом, четыре параллельных входа, вход для разрешающего сигнала,
вход, определяющий порядок отсчета времени преобразования, вход для
синхроимпульсов, а также выходы для подсоединения счетчика в кас-
кадные схемы. Если завести выходы счетчика на инвертирующий вход
операционного усилителя через резисторы R, 2R, 4R и 8/?, получится
Рис. 13.1. Простой ЦАП:
а — схема простого ЦАП;
б — выходной сигнал при последовательном изменении вход-
ного сигнала.
4-битный ЦАП. Ток по резистору обратной связи будет пропорциона-
лен числу (цифровому сигналу) состояния счетчика. Чтобы получить на
выходе требуемый уровень напряжения, изменяется нагрузка счетчика.
Кроме того, имеется возможность получить ступенчатое выходное на-
пряжение (см. рис. 13.16). Форму выходного напряжения можно на-
блюдать на экране осциллографа.
Для демонстрации цифроаналогового преобразования необходимо
собрать схему в соответствии с рис. 13.1.
► Задание
Установите на макетную плату счетчик 74191 и убедитесь, что он рабо-
тает корректно. Для этого необходимо подключить выходы счетчика на
дисплей TIL311, подсоединить к входу счетчика через переключатель
генератор синхроимпульсов и проверить все 16 состояний счетчика. Тест
необходимо провести дважды, — в режиме положительного прираще-
ния и в режиме отрицательного приращения счетчика, используя соот-
ветствующий вход.
► Задание
Подсоедините выходы счетчика через резисторы на вход операционно-
го усилителя. Используйте следующие номиналы резисторов: на выходе
счетчика (?3 — 2,2 кОм, на выходе Q2 — 4,7кОм, на выходе Qt — 10 кОм,
на выходе Qo — 22 кОм, в цепи обратной связи — 3,3 кОм. Подсоедините
генератор импульсов с частотой 1 кГц на вход счетчика, а выход счетчи-
ка подсоедините к осциллографу. Какой формы аналоговый сигнал вы
наблюдаете на экране осциллографа? Выходной сигнал должен иметь
ступенчатую форму (15 ступеней), каждая ступенька с одинаковой вы-
сотой (см. рис. 13.16).
Конечно, для того чтобы получить точный аналоговый сигнал, нуж-
но использовать прецизионные резисторы. Кроме того, необходимо,
чтобы разница между высоким и низким уровнями выходного напря-
жения счетчика была маленькой. Но в нашем эксперименте важно было
продемонстрировать принцип цифроаналогового преобразования, по-
этому не будем беспокоиться о повышении качества выходного сигнала
нашего ЦАП.
► Задание
Какое максимальное напряжение вы получили на выходе ЦАП (при
состоянии счетчика 1111)?
► Задание
Ваша лестница повышающаяся или понижающаяся? Почему? Что из-
менится, если вы поменяете направление лестницы (примените другой
режим приращения счетчика)?
► Задание
Какое напряжение на выходе ЦАП соответствует каждому из следую-
щих состояний счетчика: 4, 5, 6, 7 и 8? Измерьте выходные сопротивле-
ния каждого из четырех выходов счетчика. Измерьте высокий и низкий
уровни напряжений каждого из четырех выходов счетчика. Объясните,
почему выходное напряжение ЦАП имеет то или иное значение при
каждом состоянии счетчика.
► Задание
Начертите полную принципиальную схему данного ЦАП с указанием
номеров выводов микросхем. Объясните, как работает эта схема.
Несмотря на то что современная электроника является в основном
цифровой, аналоговая электроника по-прежнему широко используется.
Мир, который нас окружает, весь аналоговый. Поэтому на практике
постоянно возникает необходимость преобразования аналоговых сиг-
налов в цифровую форму. Также постоянно требуется преобразовывать
цифровую информацию (музыка, видео и проч.) в аналоговую форму.
13.2. Простой АЦП
Чтобы измерить аналоговый сигнал, чаще всего применяют аналого-
во-цифровое преобразование. Существует много способов такого пре-
образования. Однако, как известно, деление осуществляется медлен-
нее и труднее, чем умножение, так же как и извлечение квадратного
корня по сравнению с возведением в квадрат. Поэтому аналогово-
цифровое преобразование происходит медленнее и труднее, чем циф-
роаналоговое.
Обычно АЦП строится на основе счетчика и компаратора. Счетчик
запускается с нуля, и на выходе схемы формируется число, пропорцио-
нальное аналоговому сигналу. Компаратор сравнивает аналоговый сиг-
нал на входе ЦЛП с выходным сигналом ЦАП. Счетчик останавливает-
ся, когда они совпадают. На счетчике фиксируется цифровое значение
входного сигнала. Схема как бы отслеживает изменения входного на-
пряжения.
Аналоговый входной сигнал в экспериментах будет сниматься с по-
тенциометра. Для этого один его конец нужно заземлить, а другой соеди-
нить с —75 В. Скользящий контакт будет управлять величиной аналого-
вого сигнала (от 0 до —15 В). Для стабилизации работы схемы АЦП
аналоговый сигнал подается на неинвертирующий вход компаратора че-
рез резистор 10 кОм, а выходной сигнал компаратора подается на неин-
вертирующий вход компаратора через резистор 7 МОм (см. рис. 13.2).
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 13.2. Запустите счетчик, изменяй-
те величину входного аналогового напряжения и наблюдайте за состоя-
нием счетчика на дисплее TIL311. Зафиксируйте свои наблюдения.
► Задание
Какой сигнал подается на инвертирующий вход компаратора, а какой
на неинвертирующий? Выходной сигнал совпадает с ожидаемым зна-
чением? Если нет, может быть, вы подсоединили компаратор задом
наперед?
► Задание
Запишите значения выходного сигнала для нескольких входных напря-
жений.
Рис. 13.2. Простой АЦП.
13.3. Микросхемы АЦП и ЦАП серии 080х
► Задание
Почему выходной сигнал всегда нестабилен? Как это влияет на точ-
ность измерения напряжения?
Следует заметить, что такой тип АЦП медленно «отслеживает» боль-
шие изменения входного напряжения, но очень хорошо работает при
небольших изменениях входного напряжения.
13.3. Микросхемы АЦП и ЦАП
серии 080х
13.3.1. АЦП последовательного приближения
Описанная выше схема, как уже упоминалось, хорошо работает при
медленном изменении аналогового сигнала. Более скоростным алго-
ритмом «слежения» аналогового сигнала, который используется в боль-
шинстве микросхем АЦП, является метод последовательного прибли-
жения или логарифмический метод, при котором происходит
последовательное деление диапазона напряжения на 2. Например, если
вы ищете слово в словаре из п слов, то сначала ищете его в одной
половине — и/2 .Если слова там нет, то ищете его в Зл/4 части словаря,
следующая попытка осуществляется в и/4 части. Дальнейшие возмож-
ные шаги: диапазоны л/8, Зи/8, 5и/8 или 7и/8 и т.д. Необходимое слово
вы найдете за log2 п шагов.
При таком методе аналогово-цифрового преобразования (последо-
вательного приближения или логарифмирования) на выходе АЦП воз-
можно получить 2" значений, где и — количество бит на выходе.
ADC080x
Микросхемы АЦП серии ()80х являются 8-битными АЦП последо-
вательного приближения. Входы и выходы микросхем совместимы
как с ТТЛ, так и с КМОП логикой. Кроме того, предусмотрена воз-
можность функционирования выходов АЦП в режиме трех состоя-
ний. Микросхемы этой серии широко применяются в компьютер-
ных и логических системах в качестве преобразователей или
интерфейсов.
Алгоритм последовательного приближения в этих микросхемах ос-
нован на 64-тактном цикле преобразования. Несколько дополнитель-
ных тактов необходимы для запуска преобразования и фиксирования
полученного результата после преобразования на выходе. Можно по-
давать внешние тактовые импульсы и использовать внутренний такто-
вый генератор. Используемые внутренние тактовые генераторы имеют
на входе триггер Шмидта, при этом внешние резистор и конденсатор
определяют период тактовых импульсов (см. рис. 13.36).
11 - 1902.
Рис. 13.3. Микросхема АЦП серии 080х:
а — схема выводов;
б — схема подсоединения резистора и конденсатора к внутрен-
нему генератору тактовых импульсов микросхемы.
Следует заметить, что значком «х» обозначается существующая вер-
сия микросхемы, например ADC0804.
Все сигналы управления входом и выходом должны быть низкоуров-
невые. Преобразование запускается через вывод микросхемы RD. Вы-
вод CS используется в микропроцессорных схемах — он должен быть
заземлен, при этом запуск АЦП осуществляется через вывод WR. Фик-
сирование результата преобразования производится на шине вывода
после прихода соответствующего импульса на вывод DONE (вывод 5).
Замыкание вывода DONE на вывод WR (как показано на рис. 13.3а)
используется в режиме без внешней синхронизации, при котором за-
вершение одного преобразования запускает следующее преобразование.
Во многих схемах заземление аналоговой и цифровой части АЦП про-
изводится по независимым цепям через соответствующие выводы A GND
и D GND. Это позволяет снизить влияние аналоговых шумов на цифро-
вой результат. В наших экспериментах мы проигнорируем этот аспект и
заземление выводов 8 и 10 будем осуществлять на общую «землю».
Диапазон входного напряжения определяется опорным напряжением.
► Задание
Соедините выводы микросхемы ADC080x в соответствии со схемой на
рис. 13.3а. Выводы 1, 2, 7, 8 и 10 заземлите. Вывод 4 заземлите через
конденсатор 50 пФ. Резистор 10 кОм соединяет выводы 4 и 19. Выво-
13.3. Микросхемы АЦП и ЦАП серии 080х
ды 3 и 5 соединяются вместе и подключаются к переключателю. Потен-
циометр 1 кОм соединяется с +5 В и с выводом 6. Выводы 11—18 заводят-
ся на жидкокристаллический цифровой индикатор. Вывод 20 подсоеди-
няется к источнику питания +5 В. Вывод 9 остается незадействованным.
► Задание
Подайте на вход напряжение и зафиксируйте показание на выходе мик-
росхемы. Какое напряжение на входе соответствует двоичному числу на
выходе микросхемы 00000001? Какое напряжение на входе соответству-
ет двоичному числу на выходе микросхемы 11111110? Измерьте несколько
других входных напряжений и начертите диаграмму зависимости выхо-
да от входа. Полученный график линейный? Каков диапазон входного
напряжения? Как воспринимает АЦП нижний предел диапазона? Ка-
кова точность измерения входного напряжения у данного АЦП?
► Задание
Определите с помощью осциллографа скорость преобразования данно-
го АЦП. Для этого необходимо использовать вывод 5-й микросхемы.
Сравните его с паспортными данными данной микросхемы. Какова ско-
рость выборки? Зависит ли время преобразования от величины входно-
го напряжения? Необходимо учитывать номиналы внешней /?С-цепи.
Соответствует ли скорость выборки расчетной? Если нет, то почему?
► Задание
Зафиксируйте форму сигналов на выводах 4 и 19, опишите их и объяс-
ните. Поменяйте конденсатор 50 пФ на конденсатор 100 пФ. Что про-
изойдет с сигналами? Как изменится их форма? Что произойдет, если
совсем удалить конденсатор? Определите величину паразитной емкос-
ти. Подсоедините снова конденсатор 50 пФ.
► Задание
Начертите полную схему собранного вами АЦП с указанием номеров
выводов. Объясните, как схема функционирует. Прокомментируйте ваши
наблюдения и измерения.
DAC080X
Микросхемы ЦАП серии 080х наиболее широко применяемые. Самыми
дешевыми являются DAC0806 — 8-битные с точностью 6 бит. Микросхе-
мы DAC0807 и DAC0808 имеют точность 7 и 8 бит соответственно.
Простейшая схема ЦАП, которую мы рассмотрели ранее, распозна-
ет 16 различных уровней напряжения (у нее 4-битный выход). ЦАП
DAC0806 распознает 64 уровня напряжения. Если необходимо более
точное измерение, используются микросхемы DAC0807, DAC0808 или
микросхемы других серий.
11*
V»,
DAC0806
Рис. 13.4. Схема выводов ЦАП DAC0806 с операционным усилителем,
подсоединенным к выходу микросхемы.
Ток на выходе микросхем ЦАП серии 080х пропорционален числу
на входе преобразователя. В некоторых микросхемах других серий, на-
пример NE5018, есть операционный усилитель, который преобразовы-
вает ток на выходе ЦАП в напряжение, пропорциональное числу на
входе. Для этих целей можно использовать внешний операционный уси-
литель, как показано на рис. 13.4.
Отличие самого лучшего ЦАП серии 080х — DAC0808 и самого эко-
номичного — DAC0806 состоит в том, что и в той и в другой микросхе-
ме есть восемь резисторов с номиналами R, 1R, 4R, 87?, 16/?, 327?, 647? и
128R, однако допуски у них разные. Поэтому DAC0808 не может рас-
познавать 256 уровней напряжения, а только 64.
В микросхемах ЦАП серии 080х есть буферный каскад на входе для
стандартизации уровней напряжения, что позволяет избежать неточно-
сти из-за нестабильности уровней логического напряжения.
► Задание
Соберите схему в соответствии с рис. 13.4. Данная схема рассчитана на
диапазон выходного напряжения от 0 до +57?. Подсоедините выходы
АЦП на входы ЦАП.
► Задание
Какое выходное напряжение соответствует цифровому входу ЦАП
00000001? Какое выходное напряжение соответствует цифровому входу
ЦАП 11111110? Сделайте еще несколько измерений и начертите диаг-
рамму зависимости выходного напряжения от числового значения на
входе. Прокомментируйте ваши результаты.
13.3. Микросхемы АЦП и ЦАП серии 080х
► Задание
Определите точность преобразования данной схемы. Соответствует ли
она паспортным данным микросхемы?
► Задание
Начертите полную схему собранного вами ЦАП с указанием номеров
выводов. Объясните, как схема функционирует. Прокомментируйте ваши
наблюдения и измерения
Измерение переменного тока
Переменный ток на вход АЦП можно подавать от функционального гене-
ратора. Однако этот переменный ток симметричен относительно «земли»,
следовательно, на вход АЦП переменный ток будет поступать в течение
полупериода. Поэтому необходимо сместить его, как показано на рис. 13.5.
► Задание
Объясните, как происходит смещение переменного сигнала относительно
«земли». Объясните выбор номиналов компонентов схемы. Придумайте
другой способ смещения переменного сигнала относительно «земли».
► Задание
Подайте на вход АЦП синусоиду с амплитудой 2 Ви симметричную относи-
тельно +2,5 В. Установите частоту колебаний примерно 0,5 Гц и попробуйте
измерить амплитуду с помощью жидкокристаллического индикатора. Вы
можете «заморозить» выход АЦП с помощью кнопки, подсоединенной к
выводу 3. Объясните, как работает эта функция преобразователя.
► Задание
Сравните формы входного и выходного сигналов. Как они согласуют-
ся? Прокомментируйте ваши наблюдения.
Рис. 13.5. Способ смещения переменного сигнала.
166 Глава 13. Аналогово-цифровые и цифроаналоговоые преобразования
► Задание
Увеличивайте частоту входного сигнала, при этом амплитуда не должна
изменяться. Что произойдет с выходным сигналом, когда частота вход-
ной синусоиды достигнет частоты выборки? Что произойдет с выход-
ным сигналом, когда частота входной синусоиды превысит частоту вы-
борки? Опишите формы входного и выходного сигналов на различных
частотах и прокомментируйте ваши наблюдения. Объясните зависимость
выходного сигнала от частоты выборки.
► Задание
Повторите эксперимент, заменив синусоиду на пилообразный сигнал, а
также на прямоугольные импульсы.
Как уже упоминалось выше, аналогово-цифровые и цифроаналого-
вые преобразования являются по алгоритму приближениями. Более вы-
сокая точность изготовления микросхемы и более высокая скорость вы-
борки улучшают качество преобразования, но увеличивают стоимость и
габариты устройств. Например, при записи звука телевизионных филь-
мов обычно используют 8-битную точность и скорость выборки 10 кГц.
При этом объем требуемой памяти составляет 2,4 Мбит. Если увеличить
точность преобразования до 16 бит и скорость выборки до 100 кГц, то
объем памяти увеличится в 20 раз.
13.4. Добавочные эксперименты
13.4.1. Цифровая запись
Если к собранным вами схемам АЦП и ЦАП добавить аудиовход, па-
мять и аудиовыход, то получится система цифровой записи и обработки
звука. При этом и на входе, и на выходе можно использовать динамики
с соответствующими буферными схемами на основе операционных уси-
лителей. Для микросхемы памяти 32 х 8 CY2256 требуется 15-битный
счетчик адреса. Его можно взять из серии 7493 или 74191. Изменяя
скорость тактовых импульсов, можно контролировать точность звуко-
воспроизведения. Попытайтесь записать звуковой фрагмент, затем вос-
произведите его на разных скоростях. Если в схему добавить элементы
с нелинейным коэффициентом усиления (например, логарифмический
усилитель), то получите возможность обработки звука (например, эф-
фект реверберации).
Для воспроизведения звука с высокой точностью очень важно, что-
бы входное напряжение было постоянным в течение всего времени пре-
образования. Это достигается применением устройства выборки и хра-
нения (SHA) (УВХ), которое делает выборку входного напряжения и
удерживает его, пока преобразование полностью не завершится. При-
мером такого усилителя служит микросхема LF398 компании National
13.4. Добавочные эксперименты 167
Semiconductor. Вывод 1 этой микросхемы соединяется на источник пита-
ния +75 В, а вывод 4 — на —15 В. Аналоговый вход подается на вывод 3,
а логический — на вывод 8. Выходной сигнал снимается с вывода 5.
Заземление микросхемы происходит через вывод 7. Внутренний кон-
денсатор 1000 пФ расположен между выводом 6 и «землей». Он удержи-
вает текущее значение входного напряжения во время всего процесса
аналогово-цифрового преобразования.
► Задание
Если вы будете использовать УВХ, какая дополнительная логическая
схема потребуется? Как вы думаете, применение УВХ повлияет на точ-
ность преобразования? Объясните, почему?
13.4.2. Схема АЦП последовательного приближения,
состоящая из отдельных компонентов
Чтобы подробно изучить функционирование 8-битного АЦП последо-
вательного приближения, соберем схему на основе ТТЛ (или КМОП),
ЦАП и компаратора.
Полная схема 8-битного АЦП последовательного приближения при-
ведена на рис. 13.7. 8-битный результат преобразования формируется
на четырех сдвоенных мультивибраторах серии 74. Каждый бит имеет
значение «О» или «1». До начала преобразования каждый бит обнуляет-
ся. Когда выход ЦАП меньше аналогового входа, бит устанавливается в
«1», а если выход ЦАП превышает аналоговый вход, то бит принимает
значение «О». Таким образом происходит весь 16-тактный цикл.
Рис. 13.6. Схема логической части 8-битного АЦП последовательного при-
ближения.
Логическая часть схемы
Чтобы лучше понять принцип работы АЦП последовательного прибли-
жения, сначала необходимо рассмотреть последовательность операций
во времени и начертить временную диаграмму логической части схемы
АЦП, которая представлена на рис. 13.6, а на схеме рис. 13.7 изображе-
на в левом нижнем углу.
► Задание
Как вы думаете, каково состояние счетчика до начала преобразования?
► Задание
Каково состояние счетчика будет после завершения преобразования?
► Задание
Какие функции выполняет каждый декодер? Обратите внимание, что
каждый из них выполняет разные функции.
Рис. 13.7. Схема 8-битного АЦП последовательного приближения.
► Задание
Что будет происходить, если начать новое преобразование?
► Задание
Почему для мультивибратора важно тактирование отрицательным
фронтом?
► Задание
Может ли тактовый импульс вызвать сбой счетчика серии 191? (Речь идет о
ширине стандартного тактового импульса.) Почему? Если нет, то почему?
Соберите схему в соответствии с рис. 13.6. Тактовые прямоугольные
импульсы заводятся от функционального генератора, а запуск преобра-
зования осуществляется через кнопку. Вся последовательность опера-
ций во времени отслеживайте с помощью осциллографа.
► Задание
Соответствует ли реальная временная диаграмма начерченной вами ранее?
Схема 8-битного АЦП
последовательного приближения
К собранной уже схеме добавьте остальные компоненты в соответствии
с рис. 13.7. Перезапуск преобразования осуществляется еще одной кноп-
кой. Кроме того, используйте жидкокристаллический цифровой инди-
катор для фиксирования состояния каждого бита счетчика.
► Задание
Измерьте входное напряжение цифровым вольтметром и зафиксируйте
соответствующее значение на выходе вашего АЦП. Повторите измере-
ния нескольких различных значений входного напряжения. Постройте
график ваших результатов. Как вы оцениваете качество преобразова-
ний собранной схемы? Является ли построенный вами график линей-
ным? Что вы наблюдаете на выходе собранной схемы при входном на-
пряжении, равном нулю? Есть смещение у вашего графика? Какова
полная шкала напряжений вашего АЦП?
► Задание
Попробуйте увеличить частоту тактовых импульсов. На какой частоте
ваша схема перестанет работать? Что вы можете сказать о предельной
скорости преобразования вашей схемы? Проиллюстрируйте ваш ответ
соответствующей временной диаграммой.
► Задание
При включении питания ваша схема работает корректно? Почему? Если
нет, то почему?
Упрощенная версия управляющей логики
Вы можете применить упрощенную версию управляющей логики, в
которой вместо счетчика/декодера в схеме ставятся параллельные рези-
сторы. При этом каждый резистор подсоединяется и к тактовому гене-
ратору, и к выводу SET мультивибратора. Таким образом мультивиб-
ратор сначала запускается, а потом перезапускается фронтом тактового
импульса, если аналоговый выход будет достаточной величины. Работа
такого упрощенного приближения зависит от внутренней синхрониза-
ции мультивибратора — тактовый импульс и сигнал SET должны изме-
няться одновременно, иначе мультивибратор заблокируется. Для такой
синхронизации работы схемы применяется диодная задержка^ которая
состоит из последовательно соединенных диодов.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Условные обозначения
в принципиальных
электронных схемах
Пересекающиеся линии не имеют электрического
соединения; электрическое соединение
пересекающихся линий обозначается точкой;
Т-образное соединение линий означает
электрическое соединение
Земля
Источник
напряжения
Функциональный
генератор
Светодиод Стабилитрон
Резистор Конденсатор Полярный Диод
конденсатор
Транзистор
/?рл-типа
Полевой
□транзистор
с управля-
ющим
переходом,
канал
S /ттипа
п Полевой
транзистор
с управля-
ющим
переходом,
S канал
р-типа
Полевой
МОП
транзистор
с каналом
р-типа
Полевой
МОП
транзис-
торе
каналом
р-типа
Трансформатор
Инвертор НЕ
Первичная
обмотка
Исключающее ИЛИ
Переключатель Нормально разомкнутый
кнопочный переключатель
Однополюсный переклю-
чатель в два направления
Нормально замкнутый
кнопочный переключатель
Вторичная
обмотка
И-НЕ
ИЛИ-HE ИЛИ Динамик
Приложение 2. Частотный анализ
ЯС-схем
Во многих учебниках по физике для начинающих частотный анализ
RC-схем трактуется не совсем ясно. На самом деле этот анализ освоить
нетрудно. Ниже подробно рассматриваются примеры расчетов.
В любой момент времени заряд Q на конденсаторе пропорционален
приложенному напряжению Ис:
Q = CVc. (П.1)
Если напряжение на конденсаторе изменяется во времени синусои-
дально, то заряд на конденсаторе также должен изменяться по синусо-
иде. Так как ток пропорционален заряду, то он тоже должен изменяться
синусоидально, но со сдвигом по фазе на 90° (так как дифференциал
синуса это косинус).
Рассмотрим последовательную АС-схему, подключенную к источ-
нику переменного (синусоидального) напряжения (см. рис. П.1). Так
как резистор и конденсатор соединены последовательно, то ток на них
один и тот же. Однако фаза тока не обязательно совпадает с фазой
напряжения. Допустим, что:
V= Pg sin wt. (П.2)
т.е. в какой-то момент времени напряжение равно нулю. Ток в цепи
можно записать как:
I = /0 sin (и7 + tp). (П.З)
По закону Кирхгоффа приложенное напряжение равняется сумме
напряжений на резисторе и на конденсаторе:
E=Er+Kc. (П.4)
В соответствии с законом Ома напряжение на резисторе определя-
ется как:
KR = IR,
а напряжение на конденсате определяется как:
Рис. П.1. Последовательная АС-схема.
Приложение 2. Частотный анализ RS-схем
Подставим эти формулы в уравнение (П.4):
(П.5)
1 'г
V = /07?sin(w/ + <з) + — j 70 sin(w/ + <p)dt.
Если обозначить
и = wt + <р,
то можно упростить уравнение (П.6):
j ut+<p
V = /0/?sin(wf + (р) + [sin udir,
wC Л
Zrf„ + <р
(П.6)
(П.7)
= /0/?sin(w/ + (3)--^[cos(w/ + (3)-cos(w/() + (з)] (П.8)
Если допустить, что в начальный момент времени приложенное на-
пряжение равно нулю, то получим:
K(0) = 0 = /()7?sin(w/ + <z>)-Mcos(wZ + <p) - cos(iv/„ + (з)[ (П.9)
WC
Упрощение уравнения (П.9) приводит к следующему равенству:
cos(iv/0 + <з) = cos <3 - wRC sin ср.
Следовательно:
(П.10)
I
V = InR sin(iv/ + y>)---|cos(iv/ + <p) - cos<p - wRCsin <з)];
wC
(П.11)
= /0 A|sin(iv/ + <p) - sin <p\-|cos(iv/ + a>) - cos <з)1
wC
Упрощение уравнения (П.12):
V = 7(1/?[sin wt cos <3 + cos wt sin <p - sin <p\ -
- [cos wt cos<p - sin wtsin <p - cos
(П.12)
wC'
Используя уравнение (П.2), получаем:
(ПЛЗ)
Ио sin wt = (I0Rcos<p + —— sin®) sin wt',
wC
/()7?sin<3--^-cos(3 = (10/f sin <з - cos <з) cos W.
wC wC
(П.14)
(П.15)
Рис. П.2. Тригонометрическая иллюстрация уравнения (П.17).
Так как
, 1
</> = tan ——,
‘ wRC
то уравнение (П.14) можно упростить:
Ко = 7(1/?cos<p + -^;;sm<p.
IVC
(П.16)
(П.17)
Рассмотрим прямоугольный треугольник на рис. П.2. Гипотенуза
равна Ко, а стороны [{jR и IJwC. По теореме Пифагора получаем:
ГО2=(/Л)2+РУ
)
(П.18)
Отсюда:
Ио
<-(-* )2
(П.19)
Если выходное напряжение снимать с резистора, то получаем высо-
кочастотный фильтр:
Иои1 = I0R =
wRC
(П.20)
Если выходное напряжение снимать с конденсатора, то получаем
низкочастотный фильтр:
V = — = —
°1" wC yl(wRC)7 +1
(П-21)
01
1
Серия "Мир электроники"
Т. Ратхор Цифровые измерения. Методы и схемотехника 2-е изд.
К. Фрике Вводный курс цифровой электроники 2-е изд.
В. Варадан, К. Виной, К. Джозе ВЧ МЭМС и их применение
Э. Розеншер Оптоэлектроника
О. Ермаков Прикладная оптоэлектроника
В. Немудрое, Г. Мартин Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие
А. Медведев Печатные платы. Конструкции и материалы
А. Медведев Технология производства печатных плат
В. Федоров, Н. Сергеев, А. Кондрашин Контроль и испытания в проектировании
и производстве РЭС
Дж. Фрайдеи Современные датчики. Справочник
Б. Эггинс Химические и биологические сенсоры
В. Неволин Зондовые нанотехнологии в электронике
А. Лапин Интерфейсы. Выбор и реализация
В. Мелешин Транзисторная преобразовательная техника
В. Гуртов Твердотельная электроника 2-е изд.
Д. Крекрафт, С. Джерджли Аналоговая электроника
Готовятся к печати:
Т. Зимина, В. Лучинин Лаборатории-на-чипе
Р. Корне, X. Шмидт-Вальтер Справочник инженера-схемотехника
А. Медведев Сборка и монтаж электронных узлов
Р. Джексон Новейшие датчики
Д. Дейнека и др. Контроль и тестирование микросхем
Е. Мелешко Быстродействующая электроника
Полная информация о всех вышедших и готовящихся к печати
книгах находится на сайте WWW.technosphera.Г11
Принимаются заявки на книги с доставкой по России
наложенный платежом или с предоплатой по счету.
По почте: 125319 Москва, а/я 594, издательство "Техносфера"
По факсу: (095) 9563346
E-mail: knigi@technosphera.ru
Заявки на книги присылайте по адресу:
125319 Москва, а/я 594
Издательство «Техносфера»
e-mail: knigi@technosphera.ru
sales@technosphera.ru
факс: (095) 956 33 46
В заявке обязательно указывайте
свой почтовый адрес!
Подробная информация о книгах на сайте
http://www.technosphera.ru
Д. Каплан, К. Уайт
Практические основы аналоговых и цифровых схем
Компьютерная верстка — В.В. Павлова
Корректор — О.Ч. Кохановская
Дизайн книжных серий — С.Ю. Биричев
Ответственный за выпуск — Л.Ф. Соловейчик
Формат 60x90/16. Печать офсетная.
Гарнитура Ньютон.
Печ.л. 11. Тираж 2000 экз. Зак. № 1902.
Бумага офсет № 1, плотность 80 г/м2
Издательство «Техносфера»
Москва, Лубянский проезд, дом 27/1
Диапозитивы изготовлены ООО «Европолиграфик»
Отпечатано в ООО «Чебоксарская типография №1»
428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 15

*
мир
электроники
Д. КАПЛАН, К. УАЙТ
Практические
основы аналоговых
и цифровых схем
АВТОРЫ этой книги -
ПРОФЕССОРА ИЛЛИНОЙСКОГО
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
"С ПАЯЛЬНИКОМ
И ОСЦИЛЛОГРАФОМ"
ТЕХНОСФЕРА