Методические указания по выполнению лабораторных и практических работ по учебной дисциплине электронная техника

ФИЛИАЛ

ОРЕНБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

СТРУКТУРНОЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ

ОРЕНБУРГСКИЙ ТЕХНИКУМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

(ОТЖТ – структурное подразделение ОрИПС – филиала СамГУПС)

Методические указания ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ и практических РАБОТ

по учебной дисциплине

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА

для студентов специальности

11.02.06 Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования

(по видам транспорта)

Базовая подготовка

среднего профессионального образования

Оренбург

                                                                                 2018

Методические указания по выполнению лабораторных и практических  работ по учебной дисциплине Электронная техника (базовая подготовка) разработаны на основе рабочей программы учебной дисциплины Электронная техника для студентов специальности 11.02.06 Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования (по видам транспорта) и Положения об организации и проведении лабораторных и практических-семинарских занятий (Приказ №406 от 27.06.2014).

Разработчик(и):

ОТЖТ ОрИПС – филиала СамГУПС                       преподаватель                            Е.И. Басаков _ 

                (место работы)                                   (занимаемая должность)             (инициалы, фамилия)

Рассмотрено и одобрено на заседании предметной (цикловой) комиссии общепрофессиональных дисциплин Протокол №_______ от «_____» _________ 20____г. Председатель ПЦК ________________________ / И.В. Бабкина./

Содержание

Пояснительная записка	4
Практическое занятие №1. Работа выпрямительных диодов.	6
Практическое занятие №2. Работа стабилитронов.	9
Практическое занятие №3. Работа биполярного транзистора, включенного с общей базой (ОБ).	11
Лабораторное занятие №1. Определение h-параметров биполярных транзисторов по статическим характеристикам	13
Практическое занятие №4. Исследование работы полевого транзистора.	15
Практическое занятие №5. Работа фотоэлектрического прибора	17
Лабораторное занятие №2. Графоаналитический анализ работы биполярного транзистра режима А.	19
Лабораторное занятие №3. Расчет показателей структурных схем усилителей с различными видами обратных связей.	23
Практическое занятие №6. Работа каскада предварительного усиления.	26
Практическое занятие №7. Работа двухтактного выходного каскада.	28
Практическое занятие №8. Работа фазоинверсного каскада	30
Практическое занятие №9. Работа дифференциального каскада.	32
Практическое занятие №10. Схемы устройств на операционном усилителе	34
Лабораторное занятие №4. Расчет элементов и параметров схем функциональных узлов на операционном усилителе.	38
Практическое занятие №11. Схемы генераторов LC на транзисторах.	40
Практическое занятие №12. Схемы генераторов RC на транзисторах.	42
Практическое занятие №13. Схемы генераторов RC на основе операционного усилителя	44
Лабораторное занятие №5. Определение параметров импульсов.	45
Практическое занятие №14. Работа автоколебательного мультивибратора.	47
Лабораторное занятие №6. Расчет параметров схемы автоколебательного мультивибратора.	49
Практическое занятие №15. Работа триггера Шмита	51

Пояснительная записка

Методическое пособие по проведению лабораторных и практических работ разрабо­тано на основе рабочей программы учебной дисциплины «Электронная техника», предназначено для закрепления теоретических знаний и приобретения необходимых практических умений и навыков в процессе подготовки выпускников по специальности 11.02.06 Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования (по видам транспорта).

Основными целями лабораторных работ являются:

- экспериментальное подтверждение изученных теоретических по­ложений;

- экспериментальная проверка формул, расчетов;

- ознакомление с методикой проведения экспериментов, исследований,

В результате выполнения лабораторных работ студенты приобретают навыки экспериментальных методов исследования (наблюдение, изме­рение и оформление результатов, планирование), учатся конструировать, переходить от действия в знакомой ситуации к действию в измененной ситуации, решать практические задачи путем постановки опыта на осно­ве специально разработанных заданий в условиях лаборатории. У сту­дентов воспитываются аккуратность и бережливость, появляется инте­рес к содержанию учебного материала.

В процессе выполнения данных работ от студента тре­буется: закрепить теоретический материал, получить практические на­выки в составлении электрических схем и подборе измерительной аппа­ратуры для опыта, овладеть техникой экспериментального исследования, а также приобрести навыки оценки результатов на основании получен­ных данных.

Программа учебной дисциплины «Электронная техника» предусматривает 42 часа на проведение лабораторных и практических работ для базового уровня профессионального образования. Работы дол­жны проводиться после изучения соответствующего теоретического ма­териала программы.

Данное методическое пособие имеет определенную структуру и со­стоит из 15 лабораторных и 6 практических работ. Каждая работа включает в себя: номер по порядку; тему работы; цель работы; перечень необходимого оборудования для выполнения эксперимен­тальной части работы; порядок выполнения работы с пошаговым описанием всех действий студента; выводы по работе; контрольные вопросы.

Прежде чем приступить к выпол­нению работы, каждый студент обязан пройти инструктаж по охране тру­да, знать правила техники безопасности при работе с электроприборами, теоретический материал по теме работы. После окончания лаборатор­ной работы необходимо уметь читать, собирать и анализировать элект­рические схемы, производить измерение параметров цепи, проводить рас­четы необходимых величин.

При выполнении работ схемы, таблицы, графики рекомендуется вы­полнять только карандашом с применением чертежных инструментов. При вычерчивании схем должны соблюдаться стандартные обозначения.

Приступая к сборке схемы, желательно сначала выбрать необходимую аппаратуру, которая должна быть применена в работе, а затем начинать сборку схемы от одного зажима источника питания и заканчивать на дру­гом его зажиме. При этом рекомендуется сначала соединить последова­тельную цепь, которая является основной, а затем выполнить соедине­ние и параллельных участков цепи. В процессе соединения электричес­кой схемы необходимо стремиться к тому, чтобы она получилась простой и наглядной. Перед включением электрической схемы под напряжение движки реостатов и других регулирующих устройств следует установить в положение, соответствующее минимальным значениям токов и напря­жений в цепи. Указательные стрелки измерительных приборов должны находиться на нуле шкалы, в противном случае ее следует установить на нуль при помощи корректора. После проверки правильности схемы со­единений студентами она должна быть обязательно проверена преподавателем и только с его разрешения может быть включена под на­пряжение. Если во время работы возникает необходимость выполнить какие-либо переключения в цепи, то это следует делать при отключен­ной от напряжения сети (или источника) схеме. После этого необходимо попросить преподавателя проверить правильность произведенных пере­ключений. Вероятно, что опытные и расчетные данные не совпадут на 5—10 %. Это возможно из-за колебаний напряжения в сети, погрешно­стей при измерениях, применения приборов различных систем, неста­бильности параметров цепи и т.д., поэтому такие отклонения для лабо­раторных работ следует считать допустимыми.

После успешного выполнения работы студент обязан представить преподавателю отчет о проделанной работе в письменном виде, который должен содержать следующие пункты: номер работы; тема работы; цель работы; оборудование; схема опыта (может быть несколько); таблица измерений и вычислений; основные расчетные формулы и математические выкладки; выводы.

Общие требования к проведению и оформлению лабораторных занятий

Лабораторные занятия – это форма урока, при которой проявляются и закрепляются определенные знания и умения студента по дисциплине.

Перед лабораторной работой студент должен изучить на должном уровне теоретический материал и проанализировать его, выяснив все вопросы.

В помощь студентам, для выполнения лабораторной работы используются методические рекомендации по каждому занятию – к каждой работе.

Все записи должны быть выполнены черным цветом.

Лабораторная работа, после выполнения, анализируется студентом, и записываются  выводы в конце каждой работы.

Преподаватель оценивает знания студентов по проведенной работе устным опросом или проводится тест в компьютерном (бумажном)  варианте.

При разработке методического пособия использовались данные технической и справочной литературы, а также учебная литература.

Практическое занятие №1

Работа выпрямительных диодов.

Цель: Исследовать работу диодов, экспериментально получить вольтамперную характеристику полупроводникового диода и по ней определить его основ­ные свойства.

Оборудование:

1.      Компьютер

2.      Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним (или несколькими) выпрямляющим электрическим переходом и двумя омическими выводами для подключения к внешней цепи.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в p-n-переходе.

Диоды классифицируются: по материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые);  по структуре перехода (точечные, плоскостные); по назначению (выпрямительные, импульсные, стабилитроны и т.д.); диапазону частот (низко- и высокочастотные); виду вольтамперной характеристики и т.д.

В зависимости от технологических процессов, используемых при изготовлении диодов, различают: сплавные, диффузионные, планарно-эпитаксиальные диоды и их разновидности. Устройство полупроводникового диода, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии, приведено на рис. 1.

Рис. 1

Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды. Полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении.

Если к выводам диода подключен источник внешнего напряжения плюсом к аноду, а минусом к катоду, то диод будет включен в прямом направлении, и через него будет протекать значительный инжекционный ток, называемый прямым током. При изменении полярности внешнего напряжения на выводах диода на обратную (плюс на катоде, минус на аноде) он будет включен в обратном направлении. В этом случае через диод протекает незначительный по величине ток, называемый обратным током, обусловленный экстракцией неосновных носителей заряда через электрический переход. Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется вольт-амперной характеристикой диода.

На рис. пунктиром изображена теоретическая ВАХ, а сплошной линией – реальная ВАХ. Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ имеют различный масштаб. Прямая ветвь ВАХ сдвинута в сторону больших прямых напряжений при Iпр = соnst. На обратной ветви Iобр не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом Uобр. Более того, при достижении некоторого критического значения Uобр ток Iобр начинает резко расти при почти неизменном обратном напряжении. Это явление называется пробоем перехода диода.

Различают два вида пробоя: электрический пробой и тепловой. В свою очередь электрический пробой делится на лавинный и туннельный. Лавинный пробой характерен для широких переходов. Если длина свободного пробега носителей заряда меньше ширины перехода, то при достаточно больших значениях Uобр (от 7 до 400 В) носители заряда приобретают кинетическую энергию, достаточную для развития лавинообразного процесса ионизации атомов полупроводника, что и вызывает резкий рост тока при почти неизменном Uобр.

Туннельный пробой развивается в узких переходах при сильном электрическом поле за счет туннельного проникновения через тонкий потенциальный барьер электронов из валентной зоны одной области в зону проводимости другой без изменения энергии. Тепловой пробой возникает вследствие перегрева электрического перехода протекающим через него током при недостаточном теплоотводе. За счет термогенерации носителей в переходе резко возрастает ток, что ведет к еще большему разогреву перехода. Если температура перехода превысит допустимое значение, структура перехода претерпевает необратимые изменения, и диод выходит из строя.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. После запуска она будет выглядеть следующим образом:

2.      Для работы необходимо загрузить схему исследования. При нажатии кнопки  открывается окно, в котором курсором необходимо пометить файл <прямая ветвь диода.ewb> и нажать кнопку " Открыть". Появится схема, имеющая следующий вид:

3.         По показаниям амперметра и вольтметра схемы 1 снять прямой ток Iпр и прямое напряжение Unp, изменяя величину сопротивления реостата R, и записать их в таблицу 1.

4.         Открыть файл <обратная ветвь диода.ewb>. Появится схема, имеющая следующий вид:

5.        

По показаниям вольтметра и амперметра схемы 2 снять обратный ток Iобр и обратное напряжение Uoбp, изменяя величину сопротивления реостата R, и записать их в таблицу 2.

Таблица 1                                                                        Таблица 2

№	UПР (мВ)	IПР (мА)	RПР (Ом)		№	UОБР (В)	IОБР (мкА)	RОБР (МОм)
1					1

6.         Рассчитать сопротивление диода в прямом и обратном включении для каждого опыта.

7.         Построить график вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

8.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблицы с результатами измерений и расчетов.

3.         График вольт-амперной характеристики диода.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Объясните принцип действия полупроводникового диода.

2.         Перечислите свойства диода, включенного в прямом и обратном направлении.

Практическое занятие №2

Работа стабилитронов

Цель: ознакомиться с принципом работы стабилитрона в схеме параметрического стабилизатора напряжения; исследовать его свойства.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Опорные диоды применяются для поддержания постоянного напряжения (стабилизации напряжения) в схемах, где выпрямленное напряжение может изменяться. Эти диоды получили название стабилитронов.

На рис. 1 приведена схема стабилизации напряжения. Резистор R_б балластное сопротивление. На него сбрасывается избыток напряжения.

Отличительная особенность вольт-амперной характеристики этого диода — относительное постоянство напряжения, создаваемое на диоде после наступления электрического пробоя (рис. 2 участок АБ).

В германиевых диодах электрический пробой очень быстро переходит в тепловой. Поэтому опорные диоды изготавливаются на основе кремния, выдерживающего более высокие температуры. Для стабилизации большого напряжения можно включать последовательно несколько однотипных опорных диодов.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны. В этих приборах обычно используются три последовательно соединённых p-n перехода. Один из них — стабилизирующий, включается в обратном направлении, а два других — термокомпенсирующие, включающиеся к прямом направлении. Стабилизирующий переход работает в режиме лавинного пробоя. С повышением температуры напряжение на нём растёт. Одновременное прямое напряжение на двух термокомпенсирующих переходах уменьшается. Общее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. После запуска она будет выглядеть следующим образом:

2.      Для работы необходимо загрузить схему исследования. При нажатии кнопки  открывается окно, в котором курсором необходимо пометить файл <Стабилитрон.ewb> и нажать кнопку " Открыть". Появится схема, имеющая следующий вид :

3.         Здесь приведены две схемы включения стабилитрона, обеспечивающие получение прямой и обратной ветви ВАХ.

4.         Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу .

5.         Изменяя напряжение источника питания переменным резистором (или изменяя значение напряжения питания) снимите зависимость тока стабилитрона (Iст) от напряжения стабилитрона (Uст) (прямая ветвь).

6.         Измените полярность напряжения питания схемы (стабилитрон будет включен в обратном направлении) снимите зависимость тока стабилитрона (Iст) от напряжения стабилитрона (Uст) (обратная ветвь.).

7.         Измерения занесите в таблицу и постройте графики прямой и обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона.

U, В
I, А

8.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица с результатами измерений.

3.         График вольт-амперной характеристики стабилитрона.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         На каком виде пробоя основан принцип работы стабилитрон?

2.         Опишите назначение стабилитрона.

Практическое занятие №3

Работа биполярного транзистора, включенного с общей базой (ОБ).

Цель: Практическое ознакомление с особенностью усилительного каскада с общей базой.

Оборудование:

1.         Лабораторный  стенд «Пром. электроника»

2.         Стендовый блок для исследования транзистора

3.         Соединительные провода

Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Один из крайних слоёв называется эмиттером, а другой — коллектором. Средний слой — база; p-n переход между эмиттером и базой, называемый эмиттерным, работает на прямом токе; p-n переход между коллектором и базой называется — коллекторным, он работает на обратном токе. Можно сказать, транзистор состоит как бы из двух диодов, средний электрод которых общий. Буквы у выводов транзистора обозначают: Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор.

Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база электронную проводимость, называют транзистор типа (структуры) p-n-p. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электронную проводимость, а база дырочную проводимость, называют транзистор типа (структуры) n-p-n.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки — в обратном. В инверсном режиме коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен ещё один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.

Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырёхполюсника. В зависимости от того, какой из трёх выводов транзистора общий для входа и выхода четырёхполюсника, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ); общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

Режим транзистора определяется токами и напряжениями в его входных и выходных цепях. Статические характеристики отражают зависимость между токами и напряжениями во входных и выходных цепях. Различают входные I_вх = φ(U_вх) при U_вых = const и выходные I_вых = φ(U_вых) при I_вх = const характеристики, а также прямой передачи I_вых = φ(I_вх) при U_вых = const и обратной связи по напряжению U_вх = φ(U_вых) при I_вх = const.

Входные характеристики транзистора в схеме с ОБ выражают зависимость I_Э = φ(U_ЭБ) при U_КБ = const (рис. а).

Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ представляют собой зависимость I_К = φ(U_КБ) при I_Э = const (рис. б).

Ход работы

1.         Собрать электрическую схему.

2.         После проверки преподавателем включить схему, подать напряжение.

3.         Поворачивая ручку «Амплитуда» по часовой стрелке, изменять входное напряжение в пределах, указанных в таблице, измерить соответствующие выходные напряжения каскада. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1. Амплитудная характеристика

UВХ, В	0	0,02	0,04	0,06	0,1	0,2	0,3	0,4	0,6
UВЫХ, В
КU

4.         По полученным данным рассчитать коэффициент усиления по напряжению, занести его в таблицу и построить амплитудную характеристику каскада с общей базой.

Коэффициент усиления по напряжению:

5.      Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица с результатами измерений.

3.         График амплитудной характеристики транзистора.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите основные режимы работы транзистора.

2.         Опишите виды характеристик транзистора в схеме с общей базой.

Лабораторное занятие №1

Определение h-параметров биполярных транзисторов по статическим характеристикам

Цель: ознакомиться со статическими характеристиками биполярного транзистора и методом определения h-параметров.

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Краткие теоретические сведения

В схеме с ОЭ нас будут интересовать зависимости входного тока от входного напряжения и выходного тока от выходного напряжения (рис. а, б)

Система h-параметров - это система низкочастотных малосигнальных параметров. Для анализа этой системы параметров транзистор рекомендуется представлять в виде активного четырехполюсника.

Чтобы исключить взаимное влияние цепей активного четырехполюсни­ка друг на друга, h-параметры измеряются в двух режимах:

а)    режим холостого хода (Х.Х.) со стороны входа (на входе включается большая индуктивность);

б)    режим короткого замыкания (К.З.) со стороны выхода (на выходе включается конденсатор большой ёмкости), при этом путь тока по постоян­ной составляющей сохраняется, а по переменной получается режим коротко­го замыкания.

Физическая сущность h -параметров:

1.         h₁₁ - сопротивление транзистора на входных зажимах по переменной составляющей тока, Ом, определяется в режиме К.З. со стороны выхода;

2.         h₂₂ - проводимость транзистора на выходных зажимах транзистора, См (определяется в режиме Х.Х. со стороны входа)

3.         h₂₁ - статический коэффициент передачи тока со входа на выход, оп­ределяется в режиме К.З. со стороны выхода

4.         h₁₂  - коэффициент внутренней обратной связи, показывает какая часть выходного напряжения через элемент внутренней связи попадает на вход (определяется в режиме  Х.Х. со стороны входа)

Определение h-параметров по ВАХ транзистора

Рекомендации по использованию статических ВАХ транзистора при определении статических параметров транзистора.

Прежде, чем вести расчёт статических параметров по выходным ВАХ (при любой схеме включения), необходимо определить рабочую область на ВАХ.

Как и в диоде, рабочая область на выходных ВАХ транзистора ограни­чивается характеристикой допустимой рассеиваемой мощности (гиперболой рассеивания). Для транзистора — это мощность, рассеиваемая на коллектор­ном переходе, которая не должна превышать допустимую для транзистора (указанную в справочнике)

Расчёт и построение гиперболы рассеивания выполняется точно так же как и при работе с ВАХ диода.

Примечание. При определении h-параметров по ВАХ пользуемся мето­дом «двух точек» (рис.2.), в соответствии с которым значение параметра, определенного вдоль отрезка (ав, cd и т.д.), справедливо для точки (РТ), взя­той посредине этого отрезка.

Для исключения возможной ошибки при определении h-параметров по ВАХ необходимо строго придерживаться условий, при которых определяется тот или иной параметр.

Ход работы

1.         Изучить систему h-параметров биполярного транзистора.

2.         По предложенным статическим характеристикам определить h-параметры биполярного транзистора.

Содержание отчета

1.         Статические характеристики биполярного транзистора.

2.         Расчет h-параметров.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Какие режимы работы транзистора используются для определения h-параметров

2.         Поясните представление транзистора в виде активного четырехполюсника.

Практическое занятие №4

Работа полевого транзистора

Цель: исследовать работу полевого транзистора и снять характеристики транзистора.

Оборудование:

1.         Лабораторный  стенд «Пром. электроника»

2.         Стендовый блок для исследования транзистора

3.         Соединительные провода

Краткие теоретические сведения

. В полевых транзисторах работа прибора основана на использовании носителей заряда одного знака: или только электронов, или только дырок, поэтому эти транзисторы называют иногда униполярными.

Полевыми транзисторы называются потому, что работа прибора управляется электрическим полем (а не током, как в биполярных транзисторах). Обратный ток p-n перехода мал и слабо зависит от значения приложенного напряжения. Следовательно, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых входным током, полевые транзисторы управляются входным напряжением. Это одно из их преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Выходное сопротивление полевого транзистора зависит от сопротивления канала. Таким образом, этот транзистор (в отличие от биполярного) имеет близкие по назначению сопротивления входа и выхода, что облегчает согласование на полевых транзисторах между собой.

Полевой транзистор имеет три и более электродов. Электрод, через который носители заряда втекают в канал, называют истоком. Электрод, через который они из канала вытекают, — стоком. Большинство транзисторов симметричны, т.е. сохраняют свои электрические характеристики при взаимной замене в схеме включения выводов стока и истока. Электрод полевого транзистора, на который подают электрический сигнал, называют затвором. Транзистор может иметь два и более затвора.

В зависимости от вида управляющего электрического поля различают основные группы полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. В первой группе для управления сопротивлением канала используют поле p-n перехода, во второй — поле в диэлектрике, расположенном между слоями металла и полупроводника.

В зависимости от типа электропроводности канала различают полевые транзисторы с каналом р или п типа.

Полевые транзисторы используют, аналогично биполярным, в трёх схемах включения: общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ)  и с общим затвором.

Ход работы

1.         Собрать схему.

2.         После проверки преподавателем включить схему, подать напряжение.

3.         Снять переходную характеристику полевого транзистора. Поворачивая ручку потенциометра R8 установить такое напряжение, чтобы ток стока был равен нулю. Поворачивая ручку потенциометра R8 от этого  положения по и против часовой стрелки записать в таблицу 1 показания приборов.

Таблица 1. Переходная характеристика

UЗИ, В

IС, мА

4.         Построить переходную характеристику и по ней определить крутизну S.

5.         Снять выходную характеристику полевого транзистора. Поворачивая ручку потенциометра R9 по часовой стрелке для каждого фиксированного напряжения U_СИ измерить ток стока I_С и записать в таблицу 1 показания приборов.

Таблица 2. Выходные характеристики

UСИ, В		0	0,5	1	1,5	2	3
IС, мА	UЗИ=0 В
	UЗИ= -0,3 В
	UЗИ= -0,6 В

6.         Построить семейство выходных характеристик.

7.                  Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица с результатами измерений.

3.         Графики характеристик транзистора.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите преимущества полевого транзистора.

2.         Опишите виды характеристик полевого транзистора.

Практическое занятие №5

Работа фотоэлектрического прибора

Цель: исследовать работу фотоэлектронных приборов на примере фоторезистора, снять вольт-амперные характеристики фоторезистора и определить чувствительность прибора..

Оборудование:

1.         Лабораторный  стенд

2.         Исследуемый фоторезистор

3.         Осветительная лампа   

Краткие теоретические сведения

Электронные приборы, предназначенные для преобразования светового излучения в электрический ток, называют фотоэлектрическими. Их классифицируют по виду рабочей среды и по функциональному назначению. По виду рабочей среды фотоэлектрические приборы подразделяют на электровакуумные (электронные и ионные фотоэлементы, фотоумножители ) и полупроводниковые с однородными структурами — фоторезисторы; с p-n переходами (фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры).

На базе современных фотоприёмников и излучающих приборов развивается оптоэлектроника — научно-техническое направление, использующее для передачи, обработки и хранения информации как электрические, так и оптические средства и методы.

Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в широких пределах в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока, называют фоторезистором (ФР).

Светочувствительным элементом ФР служит слой полупроводникового материала 1, напылённого на подложку 2 из стекла, слюды или керамики, см.рис. а. По краям полупроводникового слоя располагают металлические контакты 3, соединённые с внешними выводами. Для защиты от внешних воздействий элемент покрывают лаком и помещают в пластмассовый или металлический корпус с окном для светового сигнала. Применяют также и бескорпусные ФР. Светочувствительными материалами для ФР служат полупроводниковые соединения кадмия. Могут быть и ФР на основе германия и кремния с примесями золота, цинка и других элементов. Иногда ФР имеют три вывода. Такие ФР используют в качестве дифференциальных элементов.

Вольт-амперная характеристика I_φ(U) при Ф = const у фоторезистора линейна (рис. а). Полярность напряжения на характеристику не влияет. При Ф = 0 наклон вольт-амперной характеристики зависит от темнового сопротивления R_т. С увеличением светового потока крутизна вольт-амперной характеристики растёт, а сопротивление уменьшается в 10⁵—10⁶ раз.

Световая характеристика _Iφ(Ф) при U = const (рис. б) линейна лишь в области небольших значений потока Ф. С увеличением Ф возрастает концентрация свободных носителей и вероятность их рекомбинации, подвижность носителей снижается и поэтому рост тока уменьшается.

Основные электрические параметры ФР:

¾  рабочее напряжение U_р, которое составляет от нескольких десятков до нескольких сотен вольт;

— темновой ток I_т,

— фототок I_φ, протекающий через ФР при указанном напряжении и обусловленный только воздействием потока излучения заданного спектра;

— общий ток

                                                               ;                                                          (3.31)

— темновое сопротивление R_т ≈ 105 ÷ 107 Ом.

По сравнению с электронными фотоприёмниками ФР имеют следующие преимущества: понижение напряжения питания, значительно большая интегральная чувствительность, возможность работы в более широком спектральном диапазоне, большие допустимые фототоки, большая стабильность характеристик, меньшие габаритные размеры и масса, простота конструкций, устойчивость к механическим воздействиям, большой срок службы.

Недостатки ФР: повышенная инерционность, значительная зависимость характеристик и параметров от температуры, нелинейность энергетической характеристики при больших световых потоках.

Ход работы

1.         Собрать схему.

2.         После проверки преподавателем включить схему, подать напряжение.

3.         Снять характеристики неосвещенного фоторезистора, зависимость теневого тока при различных значениях напряжения. Результаты замеров занести в таблицу.

Таблица 1. Неосвещенный фоторезистор.

U, В
I, мкА

Осветить фоторезистор. Снять зависимость тока при различных значениях напряжения. Результаты замеров занести в таблицу.

Таблица 2. Освещенный фоторезистор.

U, В
I, мкА

4.         Построить график зависимости теневого тока и тока при освещении фоторезистора от приложенного напряжения.

5.          Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица с результатами измерений.

3.         Графики вольт-амперной характеристики фоторезистора.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Как изменяются параметры в зависимости от освещенности.

2.         Опишите применение фоторезистора.

Лабораторное занятие №2

Графоаналитический анализ работы биполярного транзистора режима А.

Цель: ознакомиться с графоаналитическим анализом работы биполярного транзистора в режиме А.

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Краткие теоретические сведения

В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала принято различать следующие режимы работы: A,B,C,D; промежуточные режимы, например АВ.

Режим А — это режим работы активного прибора, при котором ток в выходной цепи i протекает в течение всего периода входного сигнала.

Положение рабочей точки выбирают так, что амплитуда переменной составляющей выходного тока, появившегося вследствие воздействия входного сигнала (рис. 4.12, а), в режиме А не может превышать ток покоя (рис. 1, б). Ток через активный элемент протекает в течение всего периода изменения входного сигнала.

Рис. 1. Изменение токов активного элемента в зависимости от входного сигнала: а — входной сигнал усилителя; б — режим А.

Преимуществом режима А является то, что при нем возникают малые нелинейные искажения. Однако КПД каскада - низкий — меньше 0,5. Режим А используют в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

При использовании графоаналитического метода строится линия нагрузки по постоянному току. Она представляет собой вольт-амперную характеристику той части обобщенной цепи, в состав которой не входит нелинейный, управляемый внешним сигналом активный прибор. В рассматриваемом случае это вольт-амперная характеристика резисторов R₁, R₂. В общем случае последовательно с активным прибором могут быть включены нелинейные элементы и вместо прямой будет «кривая» нагрузки по постоянному току, причем система координат, в которой строится эта вольт-амперная характеристика, отличается от общепринятой. За напряжение, приложенное к ней, берется значение разности напряжений питания и падения напряжения на активном приборе. Поэтому точкой, из которой строят вольт-амперную характеристику нагрузочной части, является точка с координатами (Е_пит, 0). Это основано на том, что ток в последовательной цепи во всех компонентах одинаков, а сумма падений напряжений на них равна напряжению источника питания:

При разных значениях управляющего сигнала токи и напряжения активного прибора будут изменяться, так же как ток I₀ и U₀ напряжение. Задача анализа усилительных каскадов в статическом режиме сводится к нахождению геометрического места точек, где справедливо уравнение. Оно определяется как совокупность точек пересечения кривых семейства вольт-амперных характеристик нелинейного активного прибора и вольт-амперной характеристики остальной (нагрузочной) части обобщенной цепи.

В рассматриваемом случае вольт-амперная характеристика резисторов R₁, R₂ — прямая линия. Она может быть построена по двум точкам, которые легко найти из рассмотрения крайних случаев, когда нелинейный прибор имеет бесконечно большое и бесконечно малое сопротивления. При его бесконечно большом сопротивлении I→0, а U₀= Е_пит . При бесконечно малом внутреннем сопротивлении  U₀→0, а I₀ = Е_пит/ (R₁+ R₂).

Все возможные значения токов и напряжений на нелинейном приборе лежат в точках пересечения его вольт-амперной характеристики с линией нагрузки по постоянному току. Нетрудно убедиться, что условие выполняется во всех точках пересечения семейства вольт-амперных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Задавая различный управляющий сигнал на входе электронного прибора, меняют положение его рабочей точки и соответственно ток покоя и падение напряжения на компонентах цепи.

Построим линию нагрузки для усилительного каскада (рис. 2, б), используя семейство коллекторных вольт-амперных характеристик транзистора для схемы с ОЭ (рис. 2, в). Рассмотрим два крайних случая. При сопротивлении транзистора, стремящемся к бесконечности,  I_К→0 и напряжение питания  Е_К падает на транзисторе.

На графике получаем первую точку нагрузочной прямой, расположенную на оси U_КЭ и соответствующую U_КЭ=Е_К.

При нулевом сопротивлении транзистора U_КЭ=0. Напряжение питания падает на резисторах R_K и R_Э. Ток в цепи I_К = Е_К/ (R_К+ R_Э). Это дает вторую точку нагрузочной прямой с координатами U_КЭ=0, I_К.

Соединив полученные точки прямой линией, получим линию нагрузки по постоянному току. Все возможные токи и падения напряжения в данной цепи лежат в точках пересечения линии нагрузки по постоянному току с кривыми семейства вольт-амперных характеристик транзистора. Если, например, в цепи базы задан ток I_Б3, то падение напряжения на транзисторе U_КЭ0 и его ток I_К0 будут определяться положением точки О. Если входной ток изменим до I_Б2 , то ток и падение напряжения на транзисторе будут определяться положением точки b и т. п.

Таким образом, положение рабочей точки нелинейного активного прибора однозначно определяется сигналом, поданным на его управляющий вход.

Усиление сигнала происходит за счет того, что изменения токов и напряжений в коллекторной цепи больше входного сигнала.

Методика построения линии нагрузки не зависит от типа нелинейного прибора.

Рабочую точку U₀, I₀ в общем случае выбирают исходя из режима, в котором должен работать электронный прибор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения U_m и связанного с ним тока I_m.

Если усилительный каскад должен работать в режиме А, то при малом входном сигнале (несколько мВ) рабочую точку активного элемента выбирают исходя из соображений экономичности, а также получения от каскада требуемого усиления.

Последнее обусловлено, тем что параметры электронных приборов, определяющие их усилительные свойства, зависят от положения рабочей точки.

При работе с большими сигналами рабочую точку выбирают так, чтобы обеспечивалось получение требуемого усиления сигнала при допустимых нелинейных искажениях и по возможности высоком КПД.

При этом для обеспечения работы активного элемента в режиме А как при большом, так и при малом входном сигнале необходимо, чтобы удовлетворялись неравенства U₀ > U_m, I₀ > I_m .

Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности, рассеиваемые на электронных приборах, не превышали предельно допустимых значений

В процессе выбора рабочей точки могут быть получены разные результаты. При этом нахождение параметров, близких к оптимальным, как правило, осуществляют с помощью метода проб и ошибок, в результате применения которого становится ясным, какие конкретные значения сопротивлений, напряжений и токов должен иметь каскад для удовлетворения требований, предъявляемых к нему.

Для примера рассмотрим выбор рабочей точки в каскадах с общим эмиттером и общим истоком (рис. 3, а, б).

При выборе рабочей точки на выходных характеристиках активного элемента сначала строят линию нагрузки по постоянному току. Для рассматриваемых каскадов при сопротивлениях транзисторов, равных бесконечности: а) I_K=0, U_КЭ=Е_К ; I_C=0 и U_СИ=-Е_С.

При нулевом сопротивлении транзисторов соответствующие токи и напряжения: а) U_КЭ=0; I_K= Е_К/R_K; б) U_СИ =0 и I_C =Е_С/(R_C+R_И). Через полученные пары точек на выходных характеристиках проводят линии нагрузки.

Рис. 3. Схемы усилительных каскадов а — с общим истоком; б, в, г — графоаналитический анализ из статического режима

На нагрузочной прямой для постоянного тока выбирают положение рабочей точки О. Если каскад предназначен для усиления малых сигналов, то рабочую точку берут на том участке, где изменения сигнала на управляющих электродах вызовут наибольшие изменения выходного тока. При этом стремятся обеспечить такой режим, чтобы мощность, потребляемая каскадом, была минимальной.

Если каскад работает при больших сигналах, рабочую точку выбирают ориентировочно на середине прямолинейного участка так, чтобы выполнялись неравенства.

Если рабочая точка выбрана правильно, то при изменении выходного напряжения в пределах ±U_m транзисторы находятся в активном режиме и рассеиваемая на них мощность не превышает допустимую. Это связано с тем, что динамическая нагрузочная прямая и линия допустимой мощности рассеяния не пересекаются. Напряжения питания Е меньше U_КЭMAX и U_СИMAX Следовательно, параметры рабочей точки выбраны правильно и каскад будет обеспечивать амплитуду выходного напряжения на сопротивлении нагрузки.

После выбора положения рабочей точки находят параметры цепей, обеспечивающих требуемый статический режим работы.

Для получения необходимых напряжений и токов покоя между соответствующими электродами транзисторов задают определенные напряжения или токи, которые носят название напряжений или токов смещения. Для биполярных транзисторов задают электрические токи в цепях базы или эмиттера, для полевых — напряжение затвор — исток. Расчет параметров цепей смещения (цепей, обеспечивающих режим по постоянному току) можно проводить аналитически или графоаналитически в зависимости от типа электронного прибора и схемы усилительного каскада.

Ход работы

1.         Описать графоаналитический анализ работы биполярного транзистора режима А.

2.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Графоаналитический анализ работы биполярного транзистора режима А.

2.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Какие режимы работы различают в работе усилительного каскада?

2.         Какие характеристики используются в графоаналитическом анализе?

Лабораторное занятие №3

Расчет показателей структурных схем усилителей с различными видами обратных связей

Цель: ознакомиться с видами обратной связи в электронных усилителях; научиться распознавать схемы усилителей с обратной связью.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Обратная связь представляет передачу выходного сигнала усилителя на его вход. Обратные связи позволяют изменять характеристики, как отдельных каскадов усилителей, так и усилителей в целом.

Наиболее часто используется отрицательная обратная связь, при которой полярность подводимого ко входу напряжения обратной связи противоположна полярности напряжения входного сигнала. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом уменьшаются также частотные и нелинейные искажения, и стабилизируется характеристики усилителя.

При положительной обратной связи полярность напряжения входного сигнала и полярность напряжения обратной связи одинаковы. Это приводит к возрастанию коэффициента усиления при снижении стабильности работы схемы. При некотором уровне положительной обратной связи усилитель вообще не имеет устойчивого состояния и превращается в генератор электрических колебаний.

Пассивная электрическая цепь, через которую сигнал с выхода усилителя подается на его вход, называется цепью обратной связи.

По способу присоединения цепи обратной связи ко входу усилителя различают последовательную (рисунок 1) и параллельную (рисунок 2) обратные связи. Способ подключения цепи обратной связи к выходу усилителя позволяет получить связь по току (рисунок 3) или напряжению (рисунок 4).

Рисунок 1. Пример принципиальной схемы,

содержащей последовательную обратную связь по напряжению.

Рисунок 2. Пример принципиальной схемы,

содержащей последовательную обратную связь по току.

Рисунок 3. Пример принципиальной схемы,

содержащей параллельную обратную связь по напряжению.

Рисунок 4. Пример принципиальной схемы, содержащей параллельную обратную связь по току.

Введение в усилитель последовательной по току или по напряжению отрицательной обратной связи увеличивает его входное сопротивление, а параллельной – уменьшает в (1- β К) раз.

Ход работы

Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

С помощью осциллографа получить осциллограммы при отсутствии и наличии обратной связи.

Пример расчета с использованием отечественного биполярного транзистора КТ315Б:

1)        Используемое напряжение питания 12В.

2)        Сопротивление коллектора выбирается в диапазоне от 1кОм до 8кОм. Rк=4.7кОм.

3)        Ток коллектора выберем таким образом, чтобы напряжение на коллекторе имело значение половины напряжения питания Iк=6/4.7=1.277мА.

4)        Сопротивление эмиттера выбирается примерно в десять раз меньше сопротивления коллектора Rэ=560 Ом

5)        Зная коэффициент передачи транзистора КТ315Б (h₂₁=50), находим ток базы покоя. Iб= Iк/h₂₁=1.277/50=0.02554 мА.

6)        Uэ=1.3мА×560Ом=0.728В.

7)        Uб= Uэ +0.75=1.478В.

8)        Ток делителя выбирается от двух до восьми токов базы, исходя из того что, чем больше ток делителя, тем стабильнее работа усилителя, но меньше к.п.д.. Iд=10×Iб

9)        Rд=Uпит/Iд=12/0.0002554=46985 Ом

10)    R2= Uб/Iб=1.478/0.0002554=5787 Ом  (выберем резистор 5.6кОм)

11)    R1= Rд - R2=46985-5787=41198 Ом   (выберем резистор 39кОм)

12)    Емкость конденсатора Сэ выберем из условия, что для минимальной частоты в 20Гц сопротивление конденсатора должно быть в 10 раз меньше сопротивления Rэ : 1/ωСэ<< Rэ (Сэ >142мкФ).

Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Пример расчета схемы усилителя.

3.         Осциллограммы при отсутствии и наличии обратной связи.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите виды обратных связей.

2.         Как влияет вид обратной связи на коэффициент усиления?

Практическое занятие №6

Работа каскада предварительного усиления.

Цель: исследовать принцип работы каскада предварительного усиления.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Усилитель — это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе. Эмиттерный повторитель — это усиленный каскад, у которого нагрузка включена в цепь эмиттера. Исходное состояние транзистора — открыт или закрыт — зависит от функции, выполняемой эмиттерным повторителем в схеме какого-либо устройства.

На рис. а в исходном состоянии транзистор VT эмиттерного повторителя открыт отрицательным напряжением смещения, подаваемым на базу транзистора от — Е_К через резистор R_см. Для открытого состояния транзистора характерно малое сопротивление перехода эмиттер-база, падение напряжения на котором незначительно (0,2—0,3 В), поэтому напряжение на эмиттере (на выходе) равно примерно напряжению на базе, т.е на входе схемы. Когда на вход поступает управляющий импульс положительной полярности, транзистор закрывается и потенциал эмиттера (выхода) становится нулевым (+Е_К), т.е. повышается. Для эмиттерного повторителя характерно, что полярность выходного импульса совпадает с полярностью входного импульса. Коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя равен k_U = U_вых /U_вх ≈ 1, так как U_вых ≈ U_вх; коэффициент усиления по току k₁= I_Э / I_Б = β + 1. Так как ток эмиттера во много раз больше тока базы, эмиттерный повторитель представляет собой усилитель тока.

В схеме на рис. б в исходном состоянии транзистор VT закрыт напряжением положительного смещения +U_cм, подаваемым через R_см на его базу. Для переключения транзистора в открытое состояние на его базу подают отрицательный управляющий импульс и на его выходе, как и на входе, образуется отрицательный импульс. Положительное напряжение смещения обычно выбирают небольшой величины, чтобы оно было достаточно только для ограничения входного импульса по минимуму. Эмиттерный повторитель в отличие от инвертора-усилителя не требует защиты от нулевого тока коллектора I_К0. Ток I_К0 обычно создает на сопротивлении в цепи базы небольшое падение напряжения, составляющее несколько вольт, и в инверторах такое значение напряжения может оказаться достаточным, чтобы полностью открыть транзистор. В эмиттерном повторителе такое изменение напряжения на входе не приведет к значительному изменению напряжения на выходе, так как k_U ≈ 1; оно будет равноценно помехе, значение напряжения которой на выходе очень мало по сравнению с напряжением полезного сигнала.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

 Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу .

Подключение различных емкостей в цепи эмиттера производится с помощью переключателей S1 и S2 нажатием соответствующей клавиши («1» или «2») на клавиатуре. Резистор R1 эквивалентен внутреннему сопротивлению источника сигнала, а R6 является нагрузкой для усилителя. Под нагрузкой для каскада предварительного усиления понимается входное сопротивление следующего усилительного каскада. Конденсатор С3 имитирует влияние емкости нагрузки, в качестве которой может служить входная динамическая емкость транзистора следующего каскада.

2.         В качестве источника сигнала используется многофункциональный генератор, с помощью которого формируется периодический импульсный сигнал для исследования переходных характеристик.

3.         Измерить амплитудно-частотные характеристики.  Измерения проводятся с помощью Боде-плоттера для нескольких вариантов схемы, отличающихся величинами емкостей в цепи эмиттера (С4, С5), а также выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки (С3). Подключение различных емкостей в цепи эмиттера производится с помощью переключателей S1 и S2 нажатием соответствующей клавиши («1» или «2») на клавиатуре.

4.         Отобразить полученные характеристики.

5.         Описать устройство и принцип работы схемы, назначение основных элементов и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

6.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Изображения амплитудно-частотных характеристик.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Опишите назначение каскада предварительного применения.

2.         Дайте определения характеристикам усилительного каскада.

Практическое занятие №7

Работа двухтактного выходного каскада.

Цель: исследовать работу двухтактного выходного каскада, определить достоинства и недостатки такой схемы.

Оборудование:

1.         Теоретический материал

Краткие теоретические сведения

Однотактные каскады усиления мощности обладают существенными недостатками:

—              небольшой КПД каскада;

—              относительно большие нелинейные искажения, создаваемые усилительным прибором и постоянными токами подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора;

—              относительно большие частотные искажения.

В тех случаях, когда однотактный каскад усиления мощности неприменим из-за указанных выше недостатков и мощности, применяют двухтактный каскад усиления мощности.

Схема двухтактного усилительного каскада мощности с трансформаторным входом и выходом, работающего в режиме класса В, изображена на рис. В данной схеме в любой момент времени может быть открыт только один из двух транзисторов.  Для облегчения понимания принципа работы схема усилителя показана в двух состояниях..

При отсутствии на входе сигналов от генератора сигналов G (рис. а) транзисторы VT1 и VT2 закрыты, потому, что на их эмиттерно-базовых переходах нет разности потенциалов — на эмит­теры прямо, а на базы через половины вторичной обмотки трансформатора Т1 поступает +U_K от источника Е_к. Через VT1 и VT2 протекают незначительные тепловые коллекторные токи покоя  и. Эти токи представлены на двух динамических выходных характеристиках VT1 и VT2, смещенных на 180° по отношению друг к другу, ось абсцисс (и) является общей. Рабочие точки 01 и 02 отмечены при = 0.

Если на вход усилителя подать сигнал с напряжением тока от точ­ки 2 к точке 1 в первичной обмотке Т1 (рис. а), то в его вторич­ной обмотке наводится ЭДС, положительный потенциал которой приложен к базе VT2, а отрицательный — к базе VT1; VT2 закроется еще сильнее, так как к его эмиттерно-базовому переходу приложено обратное напряжение, поступающее от нижней полуобмотки транс­форматора Т1 (зажим 4 — точка 01). Транзистор VT1 откроется, по­тому что на его эмиттерно базовый переход приложено прямое на­пряжение от верхней полуобмотки Т1 (зажим 3 — точка 01). По цепи + — 0 — VT1 — 5 — 02 — (-) потечет переменный коллектор­ный ток с амплитудой  Напряжение коллектор­ной цепи транзистора VT1 повторяет по форме ток и совпадает с положительным направлением оси.

Когда полярность напряжения входного сигнала изменится на противоположную (см. рис. б) и в первичной обмотке Т1 бу­дет протекать ток от точки 1 к точке 2, со вторичной обмотки Т1 поступит прямое напряжение на эмиттерно-базовый переход тран­зистора VT2 и обратное напряжение на такой же переход транзи­стора VT1 закроется транзистор VT1 и откроется — VT2. По цепи + —VT2 — 6 — 02 —  (-) потечет переменный коллекторный ток с амплитудой (рис. 7.18), которому соответствует напряже­ние с амплитудой, совпадающее по напряжению с осью. Таким образом, в зависимости от полярности входного сигнала открыва­ются поочередно соответствующие транзисторы и поочередно по обоим плечам первичной полуобмотки трансформатора Т2 проте­кают коллекторные токи с амплитудами.

Во вторичной обмотке Т2 наводится ЭДС, к зажимам 7, 8 кото­рой подключена нагрузка.

При максимальном использовании транзистора в режиме клас­са В амплитуда переменной составляющей тока, а амплитуда напряжения . В действительности пиковое значение напряжения на коллекторе зак­рытого транзистора при наличии выходного трансформатора мо­жет превышать в два раза величину напряжения U_K. Это объясня­ется тем, что ток открытого транзистора, например транзистора VT1 (см. рис. а), протекая по своей половине обмотки транс­форматора Т2, наводит ЭДС и во второй половине обмотки этого трансформатора. Эта ЭДС и напряжение источника питания дей­ствуют согласно и их сумма прикладывается к коллектору закры­того транзистора. В этом случае величину напряжения источника питания следует выбирать из условия, где — максимально допустимое напряжение на коллекторе транзистора.

Кроме большой выходной мощности и высокого КПД двухтакт­ные усилители обладают следующими важными качествами: ком­пенсируют четные гармоники усиливаемого тока и гармоники пуль­сирующего напряжения источника питания.

Ход работы

1.         Познакомиться с электрической схемой двухтактного выходного каскада.

2.         Описать устройство и принцип работы двухтактного выходного каскада, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

3.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.          Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Опишите три основных режима работы транзисторов: класс А, класс В и класс С.

2.         С какой целью в усилителях мощности используют режим класса АВ?

Практическое занятие №8

Работа фазоинверсного каскада

Цель: исследовать принцип работы фазоинверсного каскада, ознакомиться со схемой двухтактного каскада УМ с предварительным фазоинверсным каскадом.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Фазоинверсный каскад (каскад с разделенной нагрузкой) предназначен для получения двух выходных сигналов, имеющих сдвиг по фазе в 180°.

Рис 1. Схема фазоинверсного каскада и его временные диаграммы.

Выходные сигналы снимаются с коллектора и эмиттера транзистора. Сигнал, снимаемый с эмиттера U_ВЫХ2 совпадает по фазе с входным сигналом U_ВХ, а сигнал, снимаемый с коллектора  U_ВЫХ1 находится с ним в противофазе. Диаграммы на рисунке 1 иллюстрируют получение обоих выходных сигнала.

 Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

 

2.         Познакомиться с электрической схемой фазоинверсного каскада.

3.         Описать устройство и принцип работы фазоинверсного каскада, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

4.         Показать осциллограмму напряжений.

5.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Что называется фазоинверсным каскадом?

2.         Для чего применяются фазоинверсные каскады?

Практическое занятие №9

Работа дифференциального каскада.

Цель: исследовать работу дифференциального каскада.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

УПТ, выходное напряжение которого пропорционально разности напряжений входных сигналов, называют дифференциальным усилите­лем (ДУ). На рис. упрощенная схема ДУ с симметричными входа­ми и выходами. Она состоит из двух симметричных плеч (VT1 и R1, VT2 и R2) и генератора тока, подключенного к эмиттерам транзисто­ров. Входным сигналом  является разность напряжений на входах Вх1 и Вх2, выходным — разность напряжений на Вых1 и Вых2. Если = 0, через оба транзистора протекают одинаковые токи, напряже­ния на выходах также одинаковы. Выходное напряжение, представля­ющее собой разность напряжений Вых1 и Вых2, равно нулю, незави­симо от коэффициента усиления схемы.

Если напряжение на входе одного из транзисторов увеличить, то возрастет ток соответствующего транзистора. Симметрия схе­мы нарушится и появится выходное напряжение, пропорциональ­ное входному. Входы и выходы ДУ на рис. а называют диф­ференциальными (разностными).

Одновременное однополярное изменение напряжения на обо­их входах на одинаковое значение называется синфазным. В иде­альном ДУ при подаче на его входы синфазного напряжения вы­ходное напряжение равно нулю.

В микросхеме ДУ типа К118НД1 (рис. 7.24, б) генератором тока служит транзистор VT3 с резистором в цепи эмиттера. Транзистор в диодном включении VT4 служит для температурной компенса­ции сдвига входной характеристики транзистора VT3. Выходы 2, 8, 11, 12 служат для модификации режима работы ДУ.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

 

2.          Познакомиться с электрической схемой дифференциального каскада. Установить вольтметры PV1 – PV3 в режим измерения переменного напряжения. Включить схему. Наблюдать отсутствие выходного сигнала (вольтметр PV3) при поступлении синфазных сигналов одинаковой амплитуды и частоты.

3.         Изменяя амплитуду и фазу одного из сигналов проследить за изменением показаний приборов. Записать выходное напряжение и рассчитать коэффициент усиления.

4.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите достоинства дифференциального усилительного каскада.

2.         Какие сигналы называются синфазными?

Практическое занятие №10

Схемы устройств на операционном усилителе

Цель: исследовать работу схем устройств на операционном усилителе.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

УПТ с дифференциальным входом, большим входным и малым выходным сопротивлениями и высоким коэффициентом усиления напряжения называют операционным усилителем (ОУ). ОУ исполь­зуют исключительно с внешней цепью обратной связи, которая и определяет свойства ОУ в каждом конкретном применении (в от­личие, например, от ДУ, где свойства схемы определяются ее внут­ренним устройством). Он является универсальным базовым элемен­том для построения самых различных функциональных узлов ана­логовой аппаратуры.

Понять работу схем с применением ОУ можно, идеализируя ОУ, т.е. полагая, что за счет бесконечно большого собственного коэффициента усиления и нулевого выходного сопротивления ОУ имеет некоторое конечное выходное напряжение при входном напряжении, равном нулю. Такой подход называют принципом виртуального нуля (замыкания) входных выводов ОУ (от лат. virtual — фактический). В отличие от обычного замыкания ток между виртуально замкнутыми выводами не протекает (так как входное сопротивление между этими выводами считается бесконечно большим), т.е. для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.

В инвертирующем усилителе на ОУ согласно принципу виртуального нуля можно считать напряжение на инвертирующем входе ОУ равным напряжению на его неинвертирующем входе, т.е. равным нулю, и что входной ток схемы, пройдя через резистор R1, не ответвляется во входной вывод ОУ, а целиком протекает через резистор обратной связи R2. Тогда можно записать:  и , где цифрой 0 условно обозначен потенциал инвертирующего входа ОУ. Из этих соотношений можно получить коэффи­циент усиления схемы =, т.е.  определяется только цепью обратной связи R1—R2. Входное и выходное сопротивления инвертирующего усиления равны: ; , т.е. очень мало (здесь  и  — собственные выходное сопротивление и коэффициент усиления ОУ).

В неинвертирующем усилителе ОУ согласно принципу виртуального нуля напряжение на инвертирующем входе ОУ равно . Рассматривая цепь R1—R2  как делитель выходного напряжения, можно записать: , откуда следует, что =. Выходное сопротивление схемы равно , выходное — такое же, как у инвертирующего усилителя.

Повторитель напряжения на ОУ можно получить из инвертирующего усилителя, положив , . Для него , , , где — внутреннее сопротивление генератора входного напряжения.

Сумматор на ОУ (суммирующий усилитель) частный случай инвертирующего усилителя. Его выходное напряжение равно:

          

Достоинство сумматора на ОУ в том, что источники напряжений , ,не влияют друг на друга, так как суммирование производится на входе ОУ, имеющем «нулевой» потенциал.

Дифференциальный усилитель ОУ, представляющий собой сочетание инвертирующего и неинвертирующего усилителей, усиливает разность входных напряжений и и имеет коэффициент усиления

      

Операционные усилители широко применяют для построения активных фильтров, предназначенных для выделения из сигнала определенной полосы частот. В отличие от построенных только на R-, С- и L- элементах пассивных фильтров в активные фильтры входят усилительные элементы (ОУ или другие). Активный фильтр благодаря высокому входному сопротивлению ОУ не нагружает частотно-задающие цепи и не требует применения индуктивностей. В этом его существенное преимущество.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

2.         Исследование характеристик инвертирующего усилителя.

Для работы необходимо загрузить схему исследования и установить следующие параметры элементов: R₁=1 кΩ, R₂=1 кΩ, R_ос=100 кΩ,R_н=100 кΩ, ОУ типа LM741.

Используя параметры элементов схемы рассчитать коэффициент усиления по напряжению по формуле   K = – R_ос/ R1 ;

к входу усилителя подключить функциональный генератор, заземлить его и установить следующие параметры гармонического входного сигнала: U_m=5 mB, ƒ=1 кГц;

вход и выход усилителя подключить к осциллографу, осциллограф заземлить;

получить на экране осциллографа изображения входного и выходного сигналов, измерить их амплитуду и разность фаз;

показать осциллограммы и по результатам измерений определить коэффициент усиления по напряжению:

K_u= – U_m вых/U_m вх.

3.         Исследование сумматора напряжений.

Для работы необходимо загрузить схему исследования и установить следующие параметры элементов:  R₁=5 кΩ, R₂=5 кΩ, R_ос=5 кΩ, R_н=10 кΩ, ОУ типа LM741;

включить амперметр для измерения токов I₁, I₂, I_ос и мультиметр для измерения U_вых;

подключить к входным цепям источники постоянного тока U₁=5B и U₂=3B и заземлить их;

включить схему и записать показания приборов.

4.          Исследование интегратора.

Для работы необходимо загрузить схему исследования и установить следующие параметры элементов:  R₁=10 кΩ, R_ос=100 кΩ, C=0,01 μF, ОУ типа LM741;

к входу схемы подключить функциональный генератор и установить следующие параметры прямоугольных импульсов: ƒ=2 кГц, коэффициент заполнения 50%, амплитуду 5B;

осциллограф подключить к входу и выходу схемы и заземлить его;

включить схему и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения.

5.          Исследование дифференцирующего ОУ.

Для работы необходимо загрузить схему исследования и установить следующие параметры элементов:  R₁=500 Ω, R_ос=5 кΩ,C=0,05 μF, ОУ типа LM741;

к входу схемы подключить функциональный генератор и установить следующие параметры линейно изменяющегося сигнала: ƒ=1 кГц, коэффициент заполнения 50%, амплитуду 5В;

осциллограф подключить к входу и выходу схемы и заземлить его;

включить схему и зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов.

6.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схемы различных устройств, выполненных на основе операционного усилителя.

2.         Осциллограммы входных и выходных сигналов.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Перечислите основные свойства ОУ,

2.         Опишите применение ОУ.

Лабораторное занятие №4

Расчет элементов и параметров схем функциональных узлов на операционном усилителе.

Цель: изучить методику простейшего расчета элементов и параметров схем функциональных узлов на операционном усилителе

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Ход работы

На рис. 1 приведена схема усилителя с внешней обратной связью, собранного на основе ОУ.

Рис. 1. Основная схема включения ОУ

 Пример расчета

Исходные данные - параметры ОУ:

Номинальное напряжение питания                                                15 В

Выходная мощность                                                                     300 мВт

Входной ток:

– минальный                                                                                   200 нА

– максимальный                                                                            300 нА

Коэффициент усиления ОУ при разомкнутой ОС                        1000

Размах выходного напряжения двойной амплитуды                    23 В

Входное сопротивление                                                                 1 МОм

Выходное сопротивление                                                              300 Ом

Предположим, что схема рис. 1 должна обеспечить коэффициент усиления 100 (40 дБ) при входном сигнале с действующим значением напряжения 80 мВ. Выходное сопротивление источника сигнала не оговаривается. Сопротивление нагрузки на выходе усилителя составляет 500 Ом, источник питания может иметь вариации выходного напряжения до 10 %.

Напряжение питания. Положительное и отрицательное напряжения питания  должны быть равны 15 В каждое, т. е. соответствовать номинальным значениям.

Конденсаторы развязки. Рекомендуемые значения конденсаторов С₁  и С₂ должны быть указаны в техническом паспорте ОУ. При их отсутствии до частоты 10 МГц емкости 0,1 мкФ обеспечивают требуемую форму частотной характеристики усилителя.

Сопротивления обратной связи. Чтобы получить требуемый коэффициент усиления К=100, сопротивление R₂ должно быть в 100 раз больше сопротивления R₁. Значение R₁  следует выбирать таким, чтобы падение напряжения на нем (при номинальном входном токе) было сравнимо с величиной входного сигнала и не превышало его. При  R₁= 50 Ом номинальный входной ток 200 нА создает падение напряжения 10 мкВ. Такое падение напряжения составляет менее 10 % от входного сигнала 80 мВ. Таким образом, падение напряжения на R₁ не окажет заметного влияния на входной сигнал. При R₁= 50 Ом в соответствии с формулой (1.8) сопротивление   R₂= R₁ ×К=5000 Ом = 5 кОм.

Сопротивление минимизации смещения. Значение резистора R₃ определяется из соотношения 

. При  R₁=50 Ом и R₂ =5 кОм значение R₃ составит приблизительно 49 Ом. Таким образом, предварительное значение  R₃ всегда несколько меньше R₁, окончательное значение  R₃ должно быть таким, чтобы в отсутствие сигнала на входе схемы усилителя напряжения на обоих входах ОУ должны быть одинаковыми.

Выходное напряжение. Полный размах выходного напряжения (при входном сигнале и выбранной величине усиления) не должен превышать его максимально допустимого значения. В данном случае номинальное максимально допустимое значение двойной амплитуды выходного сигнала равно 23 В.

Фактическое значение действующего значения выходного сигнала  U_ВЫХ×К=80 мВ · 100 = 8000 мВ = 8 В. Двойная амплитуда выходного напряжения составит: 2×√2×8=22,4 В. Таким образом, ожидаемое значение выходного сигнала (22,4 < 23 В) будет лежать в допустимых пределах.

Выходная мощность. Выходная мощность ОУ может быть рассчитана исходя из действующего значения выходного напряжения U_ВЫХ и сопротивления нагрузки R_Н. В данном случае действующее значение выходного напряжения равно 8 В.

При заданном сопротивлении нагрузки 500 Ом выходная мощность  
0,128 Вт = 128 мВт. Эта величина намного меньше типового значения выходной мощности ОУ, равного 250 мВт.

Выходное сопротивление. Желательно, чтобы выходное сопротивление схемы Z_ВЫХ было как можно ниже сопротивления нагрузки R_Н.

Выходное сопротивление можно рассчитать по приближенной формуле

  30 Ом,         

 где R_ВЫХ и К_ОУ – выходное сопротивление и коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи обратной связи.

Выходное сопротивление Z_ВЫХ =30 Ом составляет менее 10 % от сопротивления нагрузки 500 Ом, поэтому при таком их соотношении обеспечивается передача без потерь выходного напряжения ОУ.

Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Расчет элементов и параметров схем функциональных узлов на операционном усилителе

2.                  Вывод.

Контрольные вопросы

1.                  Какие параметры получены в результате расчета?

2.         Почему выходное сопротивление схемы Z_ВЫХ должно быть ниже сопротивления нагрузки R_Н?

Практическое занятие №11

Схемы генераторов LC на транзисторах.

Цель: исследовать работу схем генераторов LC на транзисторах.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Генератор электрических колебаний — это устройство, преобразу­ющее энергию источника постоянного тока в энергию колебаний на­пряжения, тока или мощности. Соответственно различают генерато­ры тока, генераторы напряжения и генераторы мощности требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Независимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режим автоколебаний и режим запуска внешними импульсами (генератор с внешним возбуж­дением), который усиливает сигналы, поступающие извне схемы.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно назы­вают автогенератором (АГ) от слова «автономный».

Схема автогенератора с индуктивной (трансформаторной) ОС приведена на рис. При включении источника питания кол­лекторной цепи транзистора возникает ток коллектора, который заряжает конденсатор колебательного контура. После заряда кон­денсатор разряжается на катуш­ку. В результате в контуре L_кС_к возникают свободные колеба­ния с частотой, индук­тирующее в катушке связи L_св пе­ременное напряжение той же ча­стоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напря­жение вызывает пульсацию тока коллектора. Переменная состав­ляющая этого тока восполняет потери энергии в контуре, созда­вая на нём усиленное транзисто­ром переменное напряжение. Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении условий баланса фаз и баланса амплитуд.

В схеме на базу транзистора подаётся начальное напряжение смещения с делителя R1R2.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

2.         Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу .

3.         Описать устройство и принцип работы электронного генератора типа LC, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

4.         С помощью осциллографа показать получение синусоидального сигнала.

5.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Осциллограмма полученного напряжения.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Опишите структурную схему автогенератора.

2.         Опишите принцип работы колебательного контура.

Практическое занятие №12

Схемы генераторов RC на транзисторах.

Цель: исследовать работу схем генераторов RC на транзисторах.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Автогенераторы типа LC хорошо работают на высоких часто­тах  (радиочастотах). Для генерирования низких частот (звуковых и ультразвуковых) применение колебательных контуров LC становит­ся затруднительным из-за необходимости применения ёмкостей и индуктивностей очень больших значений и размеров. Этого недо­статка лишены автогенераторы типа RC, в которых вместо колебательных контуров использу­ются цепи, состоящие из резис­торов и конденсаторов. На практике применяется автоге­нератор типа RC (рис.). Нагрузкой здесь является активное сопротивление R_к, а по­ложительная обратная связь осуществляется с помощью трёхзвенной RC цепочки. По­скольку транзистор изменяет фазу напряжения на 180°, цепь положительной обратной связи должна обеспечивать дополнительный сдвиг фазы на 180°. Для этого необходимо иметь не менее трёх звеньев RC-цепочки, так как каждое звено может создавать сдвиг фазы, меньший 90°. Частота, на которой возможна генерация в данной схеме:

.   

Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент обратной связи должен быть равен , где — коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Следовательно, частота генерации определяется параметрами RC це­почки. Подбор сопротивлений R и ёмкостей C не имеет жёстких огра­ничений. В схеме на одном транзисторе генерация затруднена вслед­ствие сильного рассогласования входного и выходного сопротивлений каскада на транзисторе. Целесообразно применять составной транзис­тор, обеспечивающий высокое входное сопротивление усилителя.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

 

Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу .

2.         Описать устройство и принцип работы электронного генератора типа RC, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

3.         С помощью осциллографа показать получение синусоидального сигнала.

4.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Осциллограмма полученного напряжения.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите необходимые условия получения синусоидального сигнала.

2.         Опишите принцип получения необходимого сдвига фазы.

Практическое занятие №13

Схемы генераторов RC на основе операционного усилителя

Цель: исследовать работу схем генераторов RC на основе операционного усилителя

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Краткие теоретические сведения

Чтобы улучшить форму колебаний, т.е. сделать её более близ­кой к синусоидальной, используют RС-генераторы, основой кото­рых является операционный усилитель, охваченный цепью отрицательной обратной связи, состоящей из резисторов R3, R4.

Пример такого генератора представлен на рис. Для неинверитрующего выхода этого усилителя справедливо соотношение

. 

Имеется также положительная обратная связь, состоящая из ре­зисторов R1, R2 и конденсаторов С1, С2. В данной схеме резонанс­ная частота зависит от величины элементов R1, R2, С1, С2.

Главным свойством RС-генераторов является весьма малый про­цент содержания в выходном напряжении высших гармонических составляющих, поскольку в схеме практически отсутствуют нелинейные элементы. Схемы RС-генераторов используются именно тогда, когда нужно получить строго синусоидальные колебания, на­пример, при создании измерительных приборов.

Ход работы

1.         Познакомиться с электрической схемой генератора RC                      

2.         Описать устройство и принцип работы электронного генератора типа RC, выполненного на основе операционного усилителя, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

3.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите преимущества применения операционного усилителя в схеме.

2.         Опишите назначение обратных связей в схеме электронного генератора.

Лабораторное занятие №5

Определение параметров импульсов

Цель: изучить методику графического определения основных параметров импульса.

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Краткие теоретические сведения

Колебания, отличающиеся по форме от гармонических, обычно называют несинусоидальными или релаксационными (от лат. Relaxatio, что означает уменьшение или ослабление какой-либо ве­личины). Для них характерны резкие изменения скорости нараста­ния или убывания напряжения и тока. Они представляют собой им­пульсные сигналы.

Импульсный сигнал может состоять из одного или серии импульсов. Различают два вида им­пульсных сигналов: видеоимпульсы (рис. а), представляющие собой кратковременные изменения напряжения или тока в цепи постоянного тока, и радиоимпульсы (рис. б), представляющие собой кратковременные изменения синусоидального напряжения или тока, огибающая которых повторяет форму видеоимпульса. В импульсных устройствах обычно используют видеоимпульсы. Ви­деоимпульсы имеют прямоугольную, трапецеидальную, треуголь­ную, экспоненциальную формы (соответственно на рис. в — е). Реальные импульсы отличаются от изображенных на рис. в — е. Например, наиболее распространенные в импульсной технике пря­моугольные импульсы имеют форму, показанную на рис. а. Сравнительную оценку импульсов ведут по их параметрам.

Каждый импульс характеризует­ся амплитудой U_m, длительностью импульса t_и, длительностями фронта и среза, а также снижением вершины U_m . Амплитуда характеризуется наибольшим значением напряжения или тока импульса данной формы. Длительность импульса t_и — интервал времени, в течение ко­торого ток или напряжение воздействует на электрическую цепь. В реальных схемах искажается форма импульсов, поэтому длительность определяют на уровне 0,1 U_m. Активную длительность импульса t_иа измеряют на уровне 0,5 U_m. Длительность фронта t_ф и среза t_с характе­ризуется интервалом времени, в течение которого амплитуда импуль­са нарастает от 0,1 до 0,9 своего максимального значения и спадает от 0,9 U_m до 0,1 U_m. В большинстве случаев желательно иметь минимальные t_ф и t_с. Обычно t_ф и t_с составляют (0,1 ÷ 0,3) t_и. Крутизна фронта и среза (спада) определяется отношениями:

 и 

Снижение вершины U_m практически не должно превышать 0,1 U_m

Ход работы

 Задание: показать на графике импульс произвольной формы и по графику определить основные параметры. Дать все необходимые пояснения и определения.

Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         График импульса произвольной формы.

2.         Расчет основных параметров.

Контрольные вопросы

1.         Дайте определение импульса.

2.         Назовите временные характеристики видеоимпульса.

Практическое занятие №14

Работа автоколебательного мультивибратора.

Цель: ознакомиться с принципиальной схемой мультивибратора и принципом его работы.

Оборудование:

1.         Компьютер

2.         Программа «Electronic WorkBench»

Краткие теоретические сведения

Мультивибраторы (МВ) — генераторы, вырабатывающие элек­трические колебания, по форме близкие к прямоугольным. Разли­чают самовозбуждающиеся и ждущие мультивибраторы.

Транзисторная схема самовозбуждающегося мультивибратора выполняется с рези­сторно-емкостными свя­зями цепей коллектор— база. Если на МВ подать напряжение питания, то из-за разброса парамет­ров транзисторов VТ1 и VТ2 их токи базы будут неодинаковы. Предположим, ток в коллекторной цепи транзистора VT1 возрастает, тогда повысится потенциал на коллекторе VT1 (точка K₁) и на базе через конденсатор С2 транзистора VT 2 начнет закрываться транзистор VT2, снизится потенциал на его коллекто­ре (точка K₂) и базе транзистора VT1. С понижением потенциала на коллек­торе VT2 (точка K₂) начнется заряд конденсатора С1 от источника Е_к, (по цепи, показанной на рисунке штрихо­вой линией с одной стрелкой) вслед­ствие чего возрастает ток базы I_Б1  транзистора и увеличивается ток кол­лектора I_К1. Таким образом, асиммет­рия схемы, обусловленная разбросом параметров, привела к открыванию транзистора VT1 и полному закрыва­нию транзистора VT2. Этому состоя­нию схемы соответствует момент вре­мени t₀ (рис. 9.11). Как только откро­ется транзистор VT1 и появится коллекторный ток, возрастает потен­циал U_К1 коллектора, конденсатор С2 начнет разряжаться (по цепи, показан­ной штриховой линией с двумя стрел­ками). При разряде напряжений напряжение на конденсаторе С2 уменьшается, следовательно, потенциал U_Б2 базы транзистора VT2 стремится к нулю. К моменту времени t₁ напряжение  U_Б2= 0, тран­зистор VT2 отпирается, в коллекторной цепи появляется ток I_К1, а потенциал U_К1 возрастает. Перепад напряжения, возникающий на коллекторе, подается через конденсатор С1 на базу транзистора VT1 и закрывает его, а напряжение на коллекторе транзистора VT1 скачком уменьшается. Это изменение ( перепад) напряжения через конденсатор С2 подается на базу транзистора VT2 и еще больше способствует его открыванию. Tаким образом, схема окончатель­но переходит в состояние, при котором транзистор VT2 полностью открывается, а VТ1 закрывается. После этого в интервале времени t₁— t₂ происходит разряд конденсатора С1 по цепи, аналогичной цепи разряда конденсатора С2 в течение времени , и схема принимает исходное состояние. В дальнейшем процесс повторяет­ся.

Ход работы

1.         Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

Для работы необходимо загрузить схему исследования. Появится схема, имеющая следующий вид:

 Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу .

2.         Описать устройство и принцип работы автоколебательного мультивибратора, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1
2

3.         С помощью осциллографа показать получение сигнала. Графики напряжений на коллекторах симметричного мультивибратора:

4.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Осциллограмма полученного напряжения.

4.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Назовите назначение мультивибраторов.

3.         Опишите опрокидывание мультивибратора.

Лабораторное занятие №6

Расчет параметров схемы автоколебательного мультивибратора

Цель: изучить методику простейшего расчета параметров схемы автоколебательного мультивибратора

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Краткие теоретические сведения

Исходные данные для расчета мультивибратора

U_{ВЫХ. M}  -  амплитуда выходных импульсов

T_И – длительность импульса

T_Ф –  длительность фронта

T_С –  длительность среза

Т –  период следования импульсов

R_Н –  сопротивление нагрузки

T_ОКР –  температура окружающей среды

Последовательность расчета

1.                  Выберем тип транзистора по следующим параметрам:

F_H21Б – граничная частота транзистора в схеме с общей базой

U_{КБ МАКС}  – максимальное допустимое напряжение между базой и коллектором

H_21Э -  минимальное значение коэффициента усиления по току

По частотным свойствам к транзисторам мультивибратора предъявляются следующее требование

_, где  Q – скважность импульсов

По коэффициенту усиления: 

К_НАС – коэффициент насыщения транзистора в схеме мультивибратора.

Для мультивибраторов рекомендуется выбирать  К_НАС  в пределах  2 – 3

Требование по  U_КБМАКС:  U_КБМАКС  ≥  2U_ИП;  U_ИП = (1,1  -  1,2) U_{ВЫХ. M}

2.         Рассчитаем сопротивления в цепи коллекторов транзисторов.

Примем R_К1  =  R_К2  =  R_К

Где  К – коэффициент запаса  (К = 3  -  4)

Где  I_{К. НАС} – ток насыщения коллектора транзистора при указанной в исходных данных температуре окружающей среды

3.         Рассчитаем сопротивления в базовых цепях транзисторов.

Примем Rб1 = Rб2 = Rб

Рассчитаем емкости конденсаторов времязадающих цепей.

 

Проверим длительности фронта и среза

Ход работы

1.         Описать методику простейшего расчета параметров схемы автоколебательного мультивибратора.

2.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Расчет параметров схемы автоколебательного мультивибратора.

2.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Почему схема мультивибратора называется симметричной?

2.         Какую форму будет иметь импульс на выходе мультивибратора?

Практическое занятие №15

Работа триггера Шмита

Цель: ознакомиться с принципиальной схемой триггера Шмитта и принципом его работы.

Оборудование:

1.         Теоретический материал.

Краткие теоретические сведения

Триггер Шмитта — это несимметричный триггер с эмиттерной связью (рис. а); применяется для формирования импульсов прямоугольной (или произвольной) формы из синусоидального напряжения, а также в качестве порогового устройства, реагирующего на определённый уровень сигнала. В отличие от симметричной схемы одна коллекторно-базовая цепь связи заменена эмиттерной свя­зью. Она образуется резистором эмиттерной цепи, вследствие чего незначительно влияние нагрузки на работу триггера.

Схема имеет два устойчивых состояния. В одном из них транзи­стор VT1 открыт, а VT2 закрыт, а в другом, наоборот. Перевод триг­гера из одного устойчивого состояния в другое осуществляется вне­шним напряжением U_вх, подводимым к входу транзистора VT1. Cхе­ма сохраняет одно из двух устойчивых состояний до тех пор, пока диапазон изменения входного напряжения не будет равен интервалу между нижним и верхним порогами срабатывания, следовательно, триггер с эмиттерной связью является схемой индикации уровня.

Триггер Шмитта работает следующим образом. Предположим, в исходном состоянии U_вх = 0, с делителя R_К1, R1, R2 на базу тран­зистора VT2 подаётся отрицательное смещение, поэтому транзис­тор VT2 открыт и насыщен. Транзистор VT1 закрыт напряжением смещения, которое возникает на резисторе R_Э за счёт тока транзи­стора VT2. Выходное напряжение

                                                 

При увеличении отпирающего напряжения до зна­чения U_вх = U₁ первый транзистор открывается, потенциал его кол­лектора повышается, а ток базы транзистора VT2 уменьшается. Когда напряжение U_вх = U₂ транзистор VT2 выйдет из режима на­сыщения и завершится лавинообразный процесс перехода схемы в устойчивое состояние, при котором транзистор VT1 будет открыт и насыщен, а VT2 закрыт. Дальнейшее увеличение отпирающего напряжения на входе схемы уже не вызовет изменения выходного напряжения. Напряжение U₁ называется напряжением срабатыва­ния. В исходное состояние схема вернётся в том случае, когда вход­ное напряжение снизится до значения запирания транзистора VT1, практически до некоторого значения U_вх = U_З < U₂.

Ход работы

1.         Познакомиться с электрической схемой триггера Шмитта.

2.         Описать устройство и принцип работы триггера Шмитта, назначение основных элементов в схеме и заполнить таблицу:

№ п/п	Условное графическое обозначение элемента	Название	Назначение
1

3.         Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1.         Схема электрической цепи.

2.         Таблица.

3.         Вывод.

Контрольные вопросы

1.         Опишите схему триггера Шмитта и объясните вид его передаточной характеристики.  

2.         Как можно увеличить порог срабатывания и отпускания триггера Шмитта?

3.         Поясните, чем отличается неинвертирующий триггер Шмитта от инвертирующего.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники:

1.      Славинский А.К. Электротехника с основами электроники: учебное пособие / А.К.Славинский, И.С. Туревский. –  М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2012. – 448 с.

2.      Гальперин М.В. Электронная техника: учебник / М.В. Гальперин. – М.: Форум- Инфра-М, 2012. – 352 с.

Дополнительные источники:

-

Электронные образовательные ресурсы:

«Электроника-инфо» // Форма доступа: electronica.nsys.by/pages

«Электро» - журнал. Форма доступа: www.elektro.elekrtozavod.ru