092501 ~~Автоматизоване управління технологічними процесами і виробництвами~

Работа добавлена на сайт samzan.net:

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ЕЛЕКТРОНІКА ТА МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

Методичні вказівки до лабораторних робіт (частина I)

для студентів спеціальності 7.092501

“Автоматизоване управління технологічними процесами і виробництвами”

Київ 2006

ББК

E

Укладачі: В.С. Шикалов, канд. техн. наук, доцент.

        Т.Ю. Пристайло, асистент

Рецензент: C.В. Іносов, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний за випуск: С.В. Іносов, канд. техн. наук, доцент

 

 Затверджено на засіданні кафедри АТП, протокол № 16 

від  3 липня  2006 р.

Електроніка та мікросхемотехніка: Методичні вказівки до виконання  

E45             лабораторних робіт/ Уклад.: В.С.Шикалов,Т.Ю.Пристайло                                 – К.: КНУБА, 2006. – 42 с.

Розглянуто засоби вимірювання електричних сигналів за допомогою осцилографа. Надани відомості про устрій, принцип дії, параметри та основні характеристики транзисторів та напівпроводникових підсилювачів. Подано описи лабораторних досліджень та завдання до кожної лабораторної роботи.

Призначено для студентів спеціальності 7.092501 “Автоматизоване управління технологічними процесами і виробництвами” для практичного використання при виконанні лабораторних робіт.

.

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Мета виконання лабораторних робіт.

Метою виконання лабораторних робіт є закріплення знань, наданих студентам під час вивчення курсу «Електроніка та мікросхемотехніка». Лабораторні роботи сприяють розвитку у студентів самостійності при використанні засобів вимірювань електричних сигналів та проектуванні пристріїв на основі напівпровідникових приладів та мікросхем цифрової техніки.

Зміст та оформлення лабораторних робіт. 

Перед виконанням лабораторної роботи студент забов’язан вивчити теоретичні відомості щодо теми лабораторної роботи. Кожної лабораторної роботи передує розділ, який вміщує необхідні теоретичні відомості, але при підготовці рекомендовано також використовувати матеріали підручників та лекційних занять.

При виконанні лабораторних робіт треба керуватися  порядком виконання робіт, наданим в даних методичних вказівках.

Звіт про виконання кожної лабораторної роботи повинен містити необхідні теоретичні відомості, схеми, таблиці знятих вимірювань та побудовані графіки, що вказані в пункті «Порядок виконання роботи» кожної лабораторної роботи.

Захист лабораторних робіт.

Оформлені відповідним чином звіти про виконання лабораторних робіт надаються студентом на захист викладачу. Студент повинен відповісти на запитання викладача, щодо теоретичних відомостей теми лабораторної роботи та змісту наданих вимірів та побудованих графиків. За результатами захисту викладач виставляє оцінку за виконання лабораторної роботи.

Тематика лабораторних робіт відповідає програмі курсу «Електроніка та мікросхемотехніка» для спеціальності 7.092501 “Автоматизоване управління технологічними процесами і виробництвами”.

Лабораторна робота №1.

Використання осцилографа для виміру

параметрів електричних сигналів.

Мета роботи:

1. Вивчити устрій та принцип дії осцилографа.

2. Опанувати методи роботи з осцилографом та вимір параметрів електричних сигналів.

Устрій та принцип дії осцилографа.

    Електронний осцилограф призначений для візуального спостереження форми кривої напруги або струму, а також може бути використаний для вимірювання параметрів електричних сигналів: амплітуди, частоти, фази, тривалості імпульсів тощо.

    Базовим основним елементом електронного осцилографа є електронно-променева трубка з електростатичним фокусуванням та відхиленням електронного проміня (рис.1.1.). Вона складається з таких елементів:

1.  електронного прожектора (гармати), який створює електронний промінь;
2.   відхиляючої системи, яка змінює напрям елетронного проміня;
3.  люмінісціюючого екрану, який світиться при бомбардуванні його швидкими електронами.

Рис.1.1

Електронний прожектор і відхилююча система в трубках з електричним фокусуванням монтується у середині скляного вакуумного балону, який має форму трубки з конусоподібним розширенням. На внутрішній поверхні дна балону нанесено шар люмінісціюючої речовини.

Електронний прожектор складається з катода 1, керуючого електрода 2, першого 3 та другого 4 анодів.

    Окисний катод, який є джерелом термоелектронної емісії електронів, робиться у вигляді циліндра, у середині якого розміщується нитка розжарення.

    Катод розташовується усередині циліндричного керуючого електрода (модулятора), який має у торцевій частині діафрагму у вигляді диска з отвором.

    Керуючий електрод має напругу негативну відносно катода. Змінюючи її значення, можна змінювати кількість потрапляючих на екран електронів і саме цим змінювати яскравість свічення екрану.

    Аноди виконуються у вигляді циліндрів з діафрагмами. На перший та другий аноди подаються високі позитивні потенціали відносно катоду (Uа1=300...1000В; Uа2=1000...5000В).

    Під дією прискорюючого поля обох анодів електрони набувають великої швидкості.

    Неоднорідні електричні поля, створені у просторі між керуючим електродом і першим анодом, а також між першим та другим анодами, фокусують промінь.

    Фокусуванням проміня називається зведення пучка електронів, які випромінює катод, за допомогою системи електронних лінз (двох анодів) у пучку сходження. Дія системи двох анодів східна з дією оптичної системи, яка складається зі збиральної та розсіючої лінз. Тому фокусуючу систему анодів іноді називають електростатичною лінзою.  

    Далі електронний промінь проходить  між двома парами взаємоперпендикулярних відхиляючих пластин XX та YY, які звуться електростатичною відхиляючою системою. Якщо між пластинами немає різниці потенціалів, то вони не впливають на напрямок електронного проміня. Якщо на пару пластин подати різницю потенціалів, то між ними з’явиться електричне поле, під впливом якого промінь відхиляється в сторону позитивно зарядженої пластини. Пластини 5 відхиляють промінь по вертикалі та звуться пластинами вертикального відхилення (пластини YY), а пластини 6 відхиляють промінь по горизонталі і звуться пластинами горизонтального відхилення (пластини YY).

Екран електронно-проміневої трубки 8 уявляє собою тонкий шар речовини (люмінофора), який здатний світитися при бомбардуванні електронами. Такими речовинами є вілеміт (сульфіт цинка), вольфрамово-кислий кальций та інші. В залежності від складу люмінофора можна отримати свічіння різного кольору.

Коли електрони осідають на екрані вони створюють на ньому від’ємний заряд, який може порушити роботу трубки. Заради запобігання цьому внутрішня поверхня колби покривається елктропровідним графітовим шаром (аквадагом), який під’єднується до второго анода.

     Спрощена електрична схема осцилографа показана на рис.1.2.

    У цій схемі 1 – випрямлювач, 2 – атенюатор (послаблювач), 3 –  підсилювач вертикального відхилення, 4 – ланцюг синхронізації, 5 – генератор розгортання, 6 – підсилювач горизонтального відхилення.

    Постачання усіх елементів схеми здійснюється від мережі змінного струму через випрямляючий пристрій. Напруга на трубку подається з дільника напруги г1-г2-г3. Напруга на другому аноді повинна у 4-6 раз перевищувати напругу на першому аноді. Напруга на керуючому електроді негативна і має значення порядка декілька десятків вольт.

Рис.1.2.

    Дільник напруги г1 потрібен для керування яскравістю плями, а дільник напруги г2 дозволяє керувати фокусуванням.

    Досліджувана напруга подається на пластину “Y” звичайно через підсилювач вертикального відхилення, до того ж можливо регулювати коефіцієнт підсилення.

    Окрім цього на вході маємо атенюатор ( реостатно-ємнісний дільник напруги). Завдяки цьому можливо обирати вигідні умови для спостереження сигналів на екрані осцилографа при зменшенні їх амплітуди у широких межах.

    До пластин горизонтального відхилення через підсилювач (6) підводиться напруга розгортання пилоподібної форми кривої.

    У ролі генератора лінійного розгортання застосовуються генератори релаксаційних коливань.

    В схемах розгортання завжди передбачається можливість регулювання частоти коливань в широких межах. Змінюючи частоту генератора розгортання, досягають синхронізації частот, тобто такого співвідношення частот розгортання і досліджуваного сигналу, при якому зображення виходить нерухомим і охоплює ціле число періодів.

    Для підтримки стабільності настройки додатково застосовується так звана внутрішня синхронізація шляхом подачі частини підсилюваної  дослідної напруги у схему розгортання в момент, попередній початку зворотної ходи. Можливо застосовувати і зовнішню синхронізацію, але переважно осцилограф працює при внутрішній синхронізації.

Порядок роботи з осцилографом

Органи керування осцилографом C1-73.

1.  Передня панель (зліва направо):

ручка ”↕” – вертикальне переміщення проміння на екрані осцилографа – для зручного спостереження сигналу, що досліджується;

перемикач ”V/дел.”  – встановлює коефіцієнт підсилення за вертикаллю, означає скількі вольт досліджуємого сигналу вміщується в одній великій клітці по вертикалі;

ручка “УСИЛЕНИЕ” (маленька ручка зверху над перемикачем ”V/дел.”) – дозволяє плавно змінювати підсилення за вертикаллю, використовується для зручного спостереження сигналу, що досліджується;

перемикач “ ~    ≈ “ – режим вимірювання: тільки змінна напруга, режим калібровки (замкнутий вхідний ланцюг), режим виміру сигналу як постійної так і змінної напруги;

ручка “ФОКУС” – встановлює чіткість зображення по всій лінії променя;

ручка “ЯРКОСТЬ” – встановлює яскравість зображення, зручну для спостереження;

ручка ”СТАБ” – плавно змінює фазу сінхроімпульсів, чим виконується досягнення стабільного зображення сигналу на екрані осцилографа;

ручка ”УРОВЕНЬ” – дозволяє змінити рівень захвату початкового сінхроімпульса, також для досягнення стабільного зображення сигналу, що досліджується, на екрані;

перемикач ”СИНХР” – встановлює режим захвату початкового сінхроімпульсу, дозволяючи змінювати початкову фазу сигналу, що досліджується, на екрані осцилографа;

перемикач ”mS/дел., μS/дел.” – задає частоту коливань генератора лінійного розгортання, означає скількі мс (або мкс) періоду сигналу, що досліджується, вміщується в одній великий клетинці по горізонталі;

ручка “ПЛАВНО” (маленька ручка зверху над перемикачем ”mS/дел., μS/дел.”) – дозволяє плавно змінювати частоту коливань генератора лінійного розгортання, використовується для зручного спостереження сигналу, що досліджується;

ручка ”↔” – горізонтальне переміщення проміння на екрані осцилографа – для зручного спостереження сигналу, що досліджується.

1.  Ліва бокова панель:

вихідні роз’єми “” та “O” – вихід калібратора, який формує прямокутні імпульси, калібровані по амплітуді та довжині з частотою проходження 1 кГц;

потенціометр ”V/дел.” – використовується для калібрування пілсилювача вертикального відхилення;

потенціометр ”БАЛАНС” – калібрує положення лінії розгортки у центрі екрана ЕПТ при різних значеннях коефіцієнта підсилення;

коаксіальний роз’єм “Y1MΩ35pF” “O” – роз’єм для під’єднання сигналу, що досліджується, через коаксіальний дріт. Сигнал подається на реостатно-ємнісний атенюатор, вхідний опір якого дорівнює 1 Мом, а ємність 35 пФ.

3. Права бокова панель:

вхідні роз’єми ”1:1” та ”1:10” – при ввімкненні тумблера  ”СИНХР” (права бокова панель) у положення “  ”, синхронізація відбувається зовнішнім сигналом, який необхідно подати на перетин  ”1:1” або ”1:10”; cигнал синхронізації поданий на розтин “1:10” послаблюється в 10 разів;

тумблер  ”СИНХР” – обирає джерело запуску генератора розгортки; в положенні “  “ , запускаючий сигнал поступає на вхід схеми синхронізації з підсилювача Y. При ввімкненні тумблера  ”СИНХР” у положенні “  ”, синхронізація відбувається зовнішнім сигналом, який необхідно подати на перетин  ”1:1” або ”1:10”;

потенціометр ”▼ДЛИТ ” – використовується для калібрування частоти генератора лінійного розгортання;

тумблер “РАЗВЕР.” – обирає джерело для горизонтальної розгортки; зовнішня або внутрішня розгортка;

вхідні роз’єми “  ” та “ OX ”  – призначені для подачі зовнішнього сигналу горизонтальної розгортки.

Підготовка до проведення вимірювань.

1.  Ввімкнути тумблер ”ПИТАНИЕ” на передній панелі осцилографа. При цьому повинна загорітись сигнальна лампочка. Дайте осцилографу прогрітися протягом 2-3 хвилин. Після цього починайте настройку режимів і перевірку працездатності осцилографа.
2.  Встановити засоби управління, які знаходяться  на правій боковій панелі в такі положення:

“РАЗВЕР.” – в положення “” (верхнє положення);

“СИНХР” – в верхнє положення.

1.  Встановити перемикач “ ~  ≈ “ в положення  “  ”. Перемикачем входу  “ ~  ≈ “ обирається вид зв’язку підсилювача Y з джерелом досліджуваного сигналу. В положенні “ ≈ ” зв’язок з джерелом досліджуваного сигналу здійснюється по постійному струму. Цей режим може бути використаний, якщо постійна складова дослідного сигналу співмірна з змінною складовою. Якщо постійна складова сигналу набагато перевищує змінну, доцільно обрати зв’язок з джерелом сигналу по змінному струму “ ~ ” . Зв’язок по постійному струму належить встановлювати при дослідах низькочастотних сигналів, тому що при зв’язку по змінному струму нижня межа частотної характеристики складає приблизно 50 Гц. При встановленні перемикача  “ ~  ≈ “ в положення “”  вхід підсилювача відключається від джерела досліджуваного сигналу і з’єднується з корпусом осцилографа. Коефіцієнт підсилення підсилювача обирається перемикачем ”V/дел.” в залежності від розміру досліджуваного сигналу і способу подачі його на вхід осцилографа (через дільник 1:10 або прямий кабель).
2.  Ручки ”СТАБ” та ”УРОВЕНЬ” виставити в крайнє праве положення.
3.  Перемикач ”V/дел.” – в положення  “1”, а ручку “УСИЛЕНИЕ” – у крайнє праве (маленька ручка зверху над перемикачем ”V/дел.”).
4.  Ручки “ЯРКОСТЬ” та “ФОКУС” виставити в середнє положення.
5.  Встановіть перемикач ”mS/дел., μS/дел.” в положення  ”1 mS/дел.”, а ручку “ПЛАВНО” – у крайнє праве (маленька ручка зверху над перемикачем ”ms/дел.”).
6.  За допомогою ручек ”↕” та ”↔” знайдіть промінь та сумістіть лінію розгортки з центром екрану ЕПТ.
7.  Ручкою “ЯРКОСТЬ” встановити яскравість зображення, зручну для спостереження. Не встановлюйте велику яскравість зображення на екрані ЕПТ, щоб запобігти випалювання люмінофору.
8.   Ручкою “ФОКУС” встановить однакову чіткість зображення по всій лінії променя.

Калібрування осцилографа.

Перед проведенням досліджень та вимірювань параметрів електричних сигналів необхідно упевнетись, що підсилювач вертикального відхилення та генератор лінійної розгортки осцилографа є відкаліброваними, і наступні виміри параметрів досліджуваного сигналу на екрані будуть відповідати дійсності. Для цього рекомендовано виконати первісну калібровку вище названих пристриїв засобами самого осцилографа.

Після ввімкнення осцилографа і виконання первинної підготовки до роботи з осцилографом (п. 1 - 10 вище) виконайте наступні дії:

1.  Перемикач ”V/дел.” встановить в положення  “0,05”, а ручку “УСИЛЕНИЕ” – у крайнє праве (маленька ручка зверху над перемикачем ”V/дел.”).
2.  За допомогою ручек ”↕” та ”↔” знайдіть промінь та сумістіть лінію розгортки з центром екрану ЕПТ.
3.  Переведіть перемикач ”V/дел.” з положення “0,05” в положення “0,01”. Якщо горизонтальна лінія змінила положення по вертикалі, треба збалансувати підсилювач.
4.  Балансування підсилювача.

 Збалансуйте підсилювач Y після 5 хвилин самонагріву осцилографа, для чого:

         а) встановити перемикач входу “ - ┴ ≈ “ в положення “ ┴ ”;

б) перемикнути перемикач ”V/дел.” в положення “0,05” та ручкою  пересування встановити лінію розвороту в центрі екрана ЕПТ;

в) перемикнути перемикач ”V/дел.” в положення “0,01” та потенціометром ”БАЛАНС” на лівій стінці встановити лінію розгортки у центрі екрана ЕПТ;

г) повторюйте операції, вказані у пп.”б”, ”в”, доки лінія розгортки не перестане пересуватись по вертикалі при перемиканні перемикача ”V/дел.” з положення “0,05” в положення “0,01” та “0,02”.

1.  Встановіть перемикач ”V/дел.” в положення ”5 дел.” (крайня нижня позиція), а ручку “УСИЛЕНИЕ” у крайнє праве положення. Якщо величина зображення імпульсів не складає п’ять поділок, відкалібруйте підсилювач.
2.  Калібрування підсилювача.

 Для калібрування коефіцієнту відхилення підсилювача встановить перемикач ”V/дел.” в положення “5 дел.”. Встановити ручку  “УСИЛЕНИЕ” в крайнє праве положення. При цьому величина зображення сигналу на екрані ЕПТ повинна дорівнювати п’яти розподілам. Якщо ці умови не виконуються, то потенціометром, виведеним під шліц ”V/дел.” (ліва стінка осцилографа), встановити величину зображення вертикалі, дорівняну п’яти великим клітинам.

1.  Поверніть ручку “УСИЛЕНИЕ” вліво до упору. Величина зображення повинна зменшитись. Поверніть ручку “УСИЛЕНИЕ” в крайнє праве положення.
2.  Встановіть обертанням ручки ”УРОВЕНЬ” стабільне зображення  на екрані ЕПТ.
3.  Встановіть перемикач ”СИНХР” в положення “ + = ”. Лінія розгортки повинна починатись з позитивного перепаду імпульсу. Встановіть перемикач ”СИНХР”  в положення “ – = ”. Лінія розгортки повинна починатись з негативного перепаду імпульсу.
4.  Встановіть перемикач ”mS/дел., μS/дел.” в положення  ”1 mS/дел.”. Поворотом ручки ”↔” сумістіть початок періоду сигналу з першою вертикальною лінією екрану ЕПТ. По всій довжині екрану (10 поділок) повинно розміщуватись 10 періодів. При необхідності провести підстройку генератора розгортання.
5.  Підстройка генератора розгортання.

 Калібрування довжини розгортки здійснюється при положенні ручок:

 ”V/дел.”- ” 5 дел”,

 ”mS/дел., μS/дел. ”-”1 mS/дел. ”,

 “ПЛАВНО” – у крайнє праве положення.

  Встановіть на екрані ЕПТ стійке зображення. За допомогою ручки ”↔” поєднайте один з фронтів імпульсу на початковій ділянці розгортки з першою вертикальною лінією на екрані ЕПТ. Відрахуйте десять періодів сигналу калібратора та потенціометром ”▼ДЛИТ ” (права стінка осцилографа) домагайтесь, щоб десятий період співпав з останньою вертикальною лінією сітки на екрані ЕПТ.

1.  Поверніть ручку ”↔” від уопру до упору. Зображення повинно пересуватись по горизонталі .
2.  При обертанні ручки розгортки  “ПЛАВНО” вліво до упору швидкість розгортки повинна зменшуватись.
3.  Встановіть перемикач “ - ┴ ≈ “ в положення “ = ”, перемикач ”V/дел.” в положення - “0,2”. З’єднайте кабелем вхід підсилювача Y з виходом калібратора. Розмір імпульсів повинен складати п’ять розділів шкали екрану.
4.  Встановіть тумблер “РАЗВЕРТ Х” (правий бік осцилографа) в положення “ . “. З’єднайте вихід калібратора з гніздом. На екрані можна бачити крапки, відстань між якими повинна бути не менше одної поділки.
5.  При регулюванні яскравості можливі порушення фокусування. У цьому випадку необхідна підстройка за допомогою ручки “ФОКУС”.

Пояснення при роботі з осцилографом.

1.  Спосіб подачі досліджуваного сигналу на вхід підсилювача залежить від його параметрів. Подачу сигналу через зовнішній дільник напруги 1:10 можна вважати найбільш зручним способом, тому що при цьому вхідний опір приладу дорівнює 10 МОм, а вхідна ємність зменшується до 10 нФ, і тому прилад майже не навантажує вхідну схему. Крім того дільник 1:10 має спеціальний захоплювач, що забезпечує зручність експлуатації. Але при використанні дільника 1:10 досліджуваний сигнал ослаблюється в 10 разів.
2.  Перемикачем входу  “ - ┴ ≈ “ обирається вид зв’язку підсилювача Y з джерелом досліджуваного сигналу. В положенні “ = ” зв’язок з джерелом досліджуваного сигналу здійснюється по постійному струму. Цей режим може бути використаний, якщо постійна складова дослідного сигналу співмірна з змінною складовою. Якщо постійна складова сигналу набагато перевищує змінну, доцільно обрати зв’язок з джерелом сигналу по змінному струму “ ~ ” . Зв’язок по постійному струму належить встановлювати при дослідах низькочастотних сигналів, бо при зв’язку по змінному струму нижня межа частотної характеристики складає 50 Гц. При встановленні перемикача  “ - ┴ ≈ “ в положення “ ┴ “ вхід підсилювача відключається від джерела досліджуваного сигналу і з’єднується з корпусом осцилографа. Коефіцієнт відхилення підсилювача обирається перемикачем ”V/дел.” в залежності від розміру досліджуваного сигналу і способу подачі його на вхід осцилографа (через дільник 1:10 або прямий кабель).
3.  Джерело запуску генератора розгортки обирається тумблером ”СИНХР” (бокова панель). В положенні “  “, запускаючий сигнал поступає на вхід схеми синхронізації з підсилювача Y. При ввімкненні тумблера  ”СИНХР” у положенні “  ”, синхронізація відбувається зовнішнім сигналом, який необхідно подати на перетин  ”1:1” або ”1:10” . Для отримання стійкої синхронізації зовнішній сигнал повинен залежати від досліджуваного сигналу. Зовнішній сигнал використовується у випадку, якщо внутрішній сигнал дуже малий або має складові небажані для синхронізації, або коли потрібно запустити генератор розгортки упереджуючим сигналом. Цей режим зручний тим , що розгортка синхронізується весь час одним і тим самим сигналом, що дозволяє досліджувати сигнали різної амплітуди і форми без перестроєння регулювань синхронізації. Сигнал синхронізації поданий на розтин 1:10 послаблюється в 10 разів.
4.  Перемикач ”СИНХР” (лицьова панель) обирає режим запуску схеми і полярність запускаючого сигналу. При дослідженні позитивної частини імпульсу перемикач ”СИНХР” ставлять в положення  ” + = ” чи ” + ~ ”,  при дослідженні негативної частини імпульсу - в положення ” ~ ≈ ” чи ” ~ = ” . В положенні перемикача ” ~ ” постійна складова сигналу не поступає на вхід синхронізації: при цьому слабшають сигнали з частотою нижче 50 Гц. Цей режим запуску може бути використаний в більшості випадків. Точка запуску залежить від середнього рівня запускаю чого сигналу. Якщо запускаючі сигнали випадкові, не періодичні, то середній рівень напруги може змінюватись, що приведе до зміни точки запуску. Це приводить до порушення синхронізації. Тоді потрібно застосувати режим синхронізації по постійному струму. В положенні ” =” забезпечується стійка синхронізація низькочастотних сигналів з частотою до 50 Гц чи сигналів з малою частотою повторення. Ручкою ”УРОВЕНЬ” можливо забезпечити запуск схеми синхронізації на будь-якому рівні запускаю чого сигналу.
5.  Ручкою ”УРОВЕНЬ” обирається точка на запускаючому каналі, з якого синхронізується розгортка. До того, як встановити ручку ”УРОВЕНЬ”, виберіть джерело синхронізуючого сигналу, режим запуску схеми синхронізації та полярність запускаючого сигналу. Для знаходження точки, в якій синхронізується розгортка, поверніть  ручку ”УРОВЕНЬ” вліво до упора, потім повільно обертайте ручку ”СТАБ” до початку зриву розгортки (чекаючий режим). Повертаючи ручку ”УРОВЕНЬ” вправо до появи розгортки, встановіть необхідну точку синхронізації розгортки.
6.  За допомогою перемикача ”mS/дел., μS/дел. ” обирається довжина каліброваної розгортки генератора розгортки. Ручка “ПЛАВНО” забезпечує повільне регулювання довжини розгортки в кожному положенні перемикача ”mS/дел., μS/дел. ”. Довжина розгортки калібрована, коли ручка “ПЛАВНО” встановлена в крайнє праве положення.
7.  Зовнішню горизонтальну розгортку використовують в випадках, коли необхідно дослідити залежність одного сигналу від іншого, а не від часу (внутрішня розгортка). Для створення зовнішньої горизонтальної розгортки встановіть тумблер “РАЗВЕР.” в положення “ OX ”, подайте на гнізда “  ” та “ OX ”  зовнішній сигнал; цей сигнал поступить на горизонтальний підсилювач, створюючи розгортку по горизонталі.
8.  Калібратор формує прямокутні імпульси, калібровані по амплітуді та довжині з частотою проходження 1 кГц. Вихідна напруга калібратора застосовується для перевірки коефіцієнтів вертикального підсилювача та калібрування розгортки. Сигнал калібратора застосовується також для перевірки і компенсації виносного дільника напруги 1:10. Крім того сигнал калібратора може застосовуватись як джерело для інших приладів.

Порядок виконання роботи:

1. Ввімкніть осцилограф і виконайте пункти розділу “Підготовка до проведення вимірювань” (див. вище).

1.  Для проведення вимірювань змінної сінусоідальної напруги виконайте такі операції:

а) подайте досліджуваний сигнал на гніздо “Y1MΩ35pF” підсилювача Y (ліва бокова панель) через коаксіальний дріт;

 б) встановіть перемикач “- ┴ ≈ “ в положення ” ~ ”.

Примітка. Для низькочастотних сигналів (частотою нижче 50 ГЦ) використовуйте положення ” = ”.

в) встановіть перемикач ”V/дел.” так, щоб досліджуваний сигнал на екрані ЕПТ займав приблизно 5 поділок;

г) встановіть стійке зображення за допомогою ручки ”УРОВЕНЬ”. Перемикач ” mS/дел., μS/дел. ” встановіть так, щоб на екрані спостерігалось декілька періодів досліджуваного сигналу.

д) встановіть ручку ”↕” так, щоб середній рівень сигналу співпадав з центральною лінією сітки, а верхній рівень знаходився в межах робочої частини екрану. Ручкою ”↔” змістіть зображення таким чином, щоб верхній рівень знаходився на центральній вертикальній градуйованій лінії (рис. 1.3.).

е) виміряйте відстань в поділках між крайніми крапками зображення по вертикалі A. Ручку підсилювача Y “УСИЛЕНИЕ” встановіть в крайнє праве положення;

 ж) помножте величину А на коефіцієнт відхилення.

Необхідно також враховувати коефіцієнт послаблення, якщо використовувати зовнішній дільник напруги 1:10.

Приклад: 

припустимо, що величина відображена по вертикалі А = 2,4 (поділок), перемикач ”V/дел.” знаходиться  у положенні ”0,5”.

Амплітуда напруги сигналу така:

2,4дел • 0,5В/дел = 1,2В

3. Для вимірів періоду синусоідального сигналу, тривалості між двома його точками виконайте такі операції:

  а) подайте досліджуваний сигнал на перетин “Y1MΩ35pF”;

  б) встановіть перемикач ”V/дел.” в такий стан, щоб відображення на екрані складало біля 5 поділок;

   в) встановіть перемикач”mS/дел., μS/дел. ” в таке положення, при якому відстань між вимірюваними крапками була менше 10 поділок;

   г) встановіть ручкою ”УРОВЕНЬ” стійке зображення на екрані ЕПТ;

   д) перемістіть ручкою ”↕”  зображення так, щоб крапки, між якими вимірюється час, знаходились на горизонтальній центральній лінії;

   е) встановіть ручкою ”↔” зображення так, щоб крапки, між якими вимірюється час, знаходились в межі десятьох центральних поділок сітки;

   ж) виміряйте горизонтальну відстань між вимірюваними крапками. Ручка розгортки “ПЛАВНО” повинна бути встановлена в крайнє праве положення;

  з) помножте відстань, виміряну в п. ж), на коефіцієнт розгортки.

 Приклад:

 припустимо, що відстань між вимірюваними крапками складає 6 поділок , а перемикач ”mS/дел., μS/дел. ” встановлено в положення ”0,2 mS/дел. ”(рис. 1.4.).

 В цьому випадку період сінусоідального сигналу дорівнює:

Т = 6 • 0,2 mS/дел = 1,2 mS

4. Вимірюючи частоту періодичних сигналів, виконайте такі операції:

 а) виміряйте тривалість одного періоду сигналу;

 б) розрахуйте частоту сигналу fС по формулі 

fС =  ,

 де fС - частота (Гц), Т - тривалість періоду в секундах (с).

 Приклад: 

 частота сигналу з тривалістю періоду 2 mS:

fC =  = 0,5 • 103  Гц = 0,5 кГц = 500 Гц

5. Для вимірювання рівня постійної складової у заданій крапці імпульсу зробіть такі операції:

 а) подайте досліджуваний сигнал на перетин “Y1MΩ35pF”;

б) встановіть перемикач ”V/дел.” так, щоб імпульс займав на екрані ЕПТ відносно 5 поділок. Ручку підсилювача Y “УСИЛЕНИЕ” встановіть в крайнє праве положення;

  в) встановіть перемикач “- ┴ = “ в положення “ ┴ “;

  г) встановіть лінію розгортки на нижній лінії сітки або на іншій контрольній лінії, якщо вимірювана напруга негативна. Не треба прогортати ручку ”↕” після установки контрольної лінії сітки. Переведіть перемикач   “~ ┴ =“ в положення “ = “. Контрольна лінія може бути у будь-який час перевірена переведенням у положення  “ ┴ “ перемикача “~ ┴ = “.

 Примітка: для вимірювання рівня напруги відносно іншої напруги, а не корпуса, зробіть таке: встановіть  перемикач   “~ ┴ =“ в положення “ = “, подати опорну напругу на перетин “Y1MΩ35pF” підсилювача і розташуйте лінію розгортки на контрольній лінії.

  д) встановіть ручкою ”УРОВЕНЬ” стійке зображення. Перемикач ”mS/дел., μS/дел.” встановити у положення, при якому на екрані спостерігається декілька періодів досліджуваного сигналу;

  е) з’ясуйте відстань в поділках між контрольною лінією  і крапкою А (рис.2.4.).;

  ж) помножте отриманий розмір в поділках на коефіцієнт відхилення. Необхідно також враховувати коефіцієнт ослаблення виносного дільника, якщо він використовується.

 Приклад: 

 припустимо, що виміряна відстань складає чотири поділки (див. рис. 2.4.), сигнал позитивної полярності (відображення знаходиться вище контрольної лінії). Перемикач ”V/дел.” знаходиться в положенні ”2”.

  Виміряне миттєве значення напруги таке:

4дел • 2В/дел = 8В.

Лабораторна робота № 2.

Дослідження біполярного транзистора.

Вхідні та вихідні статичні характеристики.

Мета роботи: 

зняти та побудувати вхідні та вихідні статичні характеристики біполярного транзистора підключеного за схемою з спільним емітером; експериментально визначити параметри транзистора в статичному та динамічному режимах.

    Прилади: стенд ЭС-4-А - однокаскадний підсилювач (плата №1), вольтметр V1(3 В), вольтметр V2 (15В)(встановлений на стенді).

рис. 2.1. Схема вимірювань.

Теоретичні відомості.

    Транзистор уявляє собою напівпровідниковий прилад з одним або кількома p-n-p переходами, який може бути використаний для підсилення потужності електричних сигналів. Існують різні види транзисторів. Найбільше використання знаходить біполярний транзистор.

    Основа біполярного транзистора – кристал германія або кремнія, в якому є три ділянки, що мають різний тип пропускання струму. Крайні ділянки звуться емітером та колектором. Вони завжди мають один тип пропускання струму. Біполярні транзистори бувають p-n-p та n-p-n типів (рис.2.1). Фізичні процеси, що існують в них аналогічні. Розглянемо принцип дії біполярного транзистора на прикладі транзистора p-n-p.

рис. 2.1.

Принцип дії біполярного транзистора.

    При виготовленні біполярного транзистора необхідно виконати дві умови:

1. Ділянка бази повинна бути дуже тонкою (долі мікрометрів).

2. Концентрація основних носіїв повинна бути в емітері на декілька порядків більше концентрації основних носіїв у базі (DPE>>NNB).

    Для того, щоб транзистор міг працювати в режимі підсилення електричних сигналів, необхідно мати два джерела напруги U1 та U2.

    В активному режимі джерело U1 підключають до емітерного переходу в прямому напрямку (емітерний перехід відкритий), джерело U2 - до колекторного переходу в зворотньому напрямку (колекторний перехід закритий)(рис.2.2).

    рис. 2.2.

Оскільки емітерний перехід відкритий, опір його малий і через нього протікає струм, що виникає шляхом переходу дірок з емітера до бази та електронів з бази до емітера. Якщо здійснюється друга умова (DPE>>NNB), можна вважати, що практично весь струм еміторного перехода (струм емітера транзистора) виникає за рахунок дірок, що перейшли з емітера до бази. Дірки, що перейшли з емітера до бази завдяки різниці концентрацій починають дифундувати крізь ділянку бази в бік колектора. Для ділянки бази дірки є неосновними носіями заряду. Зустрічаючись в базі з електронами, вони повинні рекомбінуватися з ними. Для того, щоб електрон зустрівся з діркою та рекомбінувався з нею, необхідний якийсь час. У зв’язку з тим, що база виготовляється дуже тонкою (вимога 1), більшість дірок встигають пройти її, не встигнувши рекомбінуватись. Але невелика кількість дірок все ж таки встигає рекомбінуватись в базі з електронами. Ці електрони створюють струм бази транзистора IБ.

    Більша частина дірок, що вийшла з емітеру, встигають дійти до колекторного переходу. Електричне поле колекторного p-n - переходу є ускорюючим для неосновних носіїв бази ( в даному випадку для дірок ). Тут вони підхватуються його полем та переходять до ділянки колектора. Для їх нейтралізації від джерела U2 до колектора надходять електрони, які створюють струм колектора IК.

    Виходячи з цього, можна зробити висновок, що для транзистора здійснюється другий закон Кірхгофа: IЕ = IБ + IК.

    Впливаючи на будь-який з цих струмів, тим самим впливаємо і на інші два струми. Як правило впливають на струм бази IБ, який в транзисторі має мінімальне значення. При цьому пропорціонально змінюються струми IЕ та IК, які значно більші. Таким чином, транзистор здійснює підсилення струму.

    Взаємозв’язок між струмами транзистора виражають через такі коефіцієнти:

    коефіцієнт передачі струму емітера α = Δ IК/ Δ IЕ (0,9..0,99);

    коефіцієнт передачі струму бази β = Δ IК/ Δ IБ (10..100).

Використовуючи надані коефіцієнти, можна записати:

IК= α IЕ.

Але більш точним є вираз

IК= α IЕ+ IК0,

де IК0 – тепловий (зворотній) струм колекторного переходу, викликаний переходом неосновних носіїв з бази до колектора та з колектора до бази. Оскільки концентрація неосновних носіїв значно менша, ніж основних, струм IК0 при кімнатній температурі дуже малий. Але при підвищенні температури швидко зростає (зростає приблизно в два рази кожні 10 градусів). Оскільки цей струм некерований (не залежить від струму емітера), при підвищених температурах він заважає нормальній роботі транзисторних схем.

 При використанні транзистора в електронних схемах на його вхід подається сигнал, що потрібно підсилити, а з виходу знімається підсилений. Для подавання вхідного сигналу необхідно два електроди. Для зняття підсиленого сигналу також необхідно два електроди. Оскільки у транзистора тільки три електроди, один з них завжди є спільним для вхідного та вихідного сигналів. В залежності від того, який електрод є спільним, розрізняють три схеми включення транзистора:

1.   схема з спільною базою (СБ);
2.  схема з спільним колектором (СК);
3.   схема з спільним емітером (СЕ);

    Найбільше використання знаходить схема з спільним емітером СЕ, оскільки вона забезпечує найбільше підсилення сигналу по потужності та напрузі.

Характеристики та параметри біполярного транзистора.

    Оскільки біполярний транзистор має три зовнішніх електроди, то можна зняти декілька вольт-амперних характеристик (вхідну, вихідну та інші). ВАХ знімаються між двома будь-якими електродами, але її вигляд буде залежати від того, що подається на третій електрод. В зв’язку з цим ВАХ транзистора буде являти собою не одну характеристику, а їх сім’ю. Для схеми включення транзисторів СЕ вхідний сигнал впливає між базою та емітером, а вихідний сигнал знімається між емітером та колектором. З цього виникає залежність IБ= f(UЕБ), а вихідною характеристикою   IК= f(UЕК). Ці характеристики зображені на рис.2.3. Як бачите, вхідна характеристика мало залежить від вихідної напруги UКЕ. Тому в довідниках приводять дві вхідні характеристики, що відповідають нульовій та робочій напрузі UКЕ. Вихідні характеристики свідчать про те, що струм колектора транзистора (вихідний струм) мало залежить від вихідної напруги UКЕ, а визначається напругою бази (вхідним струмом). Також транзистор характеризується більшою кількістю інших параметрів:

UКЕ макс - максимальна напруга між колектором та емітером;

IК макс - максимальний струм колектора;

 PК макс - максимальна потужність, що розсіюється транзистором;

IК0 - зворотній (тепловий) струм колектора;

fмакс - максимальна робоча частота транзистора.

 Tмакс - максимальна робоча температура (для германійових транзисторів +850С, для кремнійових +1250С).

    Розглянуті характеристики називають статичними. Вони характеризують транзистор як прилад. Для того, щоб за допомогою транзистора отримати підсилений сигнал за напругою, в його колекторний ланцюг необхідно включити резистор навантаження RК. Для цього ланцюга за другим законом Кірхгофа можна записати: 

EК = UКЕ + UК = UКЕ + IКRК.

З якого отримуємо:

IК = EК/RК – UКЕ/RК.

    Це рівняння зветься рівнянням динамічної навантажувальної характеристики. Оскільки рівняння є лінійне, динамічну навантажувальну характеристику можливо добудувати  за допомогою двох точок.

1) при IК = 0, UКЕ = EК;

2) при  UКЕ = 0, IК = EК/RК.

Рис.2.3.

   рис.2.4        рис. 2.5

    Динамічна навантажувальна характеристика транзистора будується на вихідних статичних характеристиках. Точка перетинання динамічної навантажувальної характеристики з відповідною статичною характеристикою (визначається заданим струмом бази IБ) зветься робочою точкою транзистора.

    В процесі роботи при зміні вхідного сигналу (струму бази) робоча точка може знаходитись в трьох ділянках (режимах).

    Активна ділянка ( I ). В даному режимі емітерний перехід відчинений, колекторний перехід зачинений. Виконується умова:

IК = IБ + (β + 1)IК0.

    Ділянка відсіку ( II ).В цьому режимі емітерний та колекторний перехід зачинені. В ланцюзі колектора тече незначний струм IК = IК0 (тепловий струм). Транзистор зачинений.

    Ділянка насичення ( III ). В цьому режимі емітерний та колекторний переходи відкриті. Для даного режиму:

IК < βIБ;    IК = EК/RК.

    Транзистор повністю відкритий і його опір мінімальний. Струм стримується тільки опором резистора RК. В лінійних підсилювачах транзистор працює в активному режимі. Якщо в процесі роботи транзистор знаходиться в режимі насичення та відсіку, такий режим зветься імпульсним або ключовим. Він використовується в імпульсних та цифрових приладах.

Порядок виконання роботи:

    1.  Ознайомитись з електричною схемою та органами керування стенду.

2. Ввімкнути перемикач живлення «Ек/Ес» у положення Ек. Напругу живлення встановити дорівняною 15 В (Eк=15В).

1.  Для проведення дослідів відключити вихід генератора змінного сигналу (тумблер S1 перемкнути у середнье положення).
2.  Подільник RД1-RД2 (тумблер S3) замкнути у верхній стан.
3.  Опір емітера встановити RЕ=0 (крайнє ліве положення опору RЭ).
4.  Під’єднати додатковий вольтметр V1 (3 В) між гніздами 10` або 14 (додаткові гнізда) та корпусом «» стенда. В подальшому за допомогою цього вольтметру в знімати значення напруги база-емітер UБЕ транзистора.
5.  За допомогою дротів під’єднати вольтметр V2 (15 В) до гнізд 10 («+» вольтметра) та корпуса «» («—» вольтметра). В подальшому за допомогою цього вольтметру в знімати значення напруги колектор-емітер UКЕ транзистора.
6.  Зняти та побудувати сім’ю вхідних статичних характеристик транзистора IБ = f (UБЕ) при постійному значенні напруги колектор-емітер. Для цього виконати наступне.
7.  Для зняття однієї гілки вхідної характеристики виставить змінний опір RК в крайнє праве положення (максімум). За допомогою опорів подільника RД1-RД2 встановити значення UКЕ рівним 6В. Зняти першу крапку графіка – значення струму бази IБ та напруги UБЕ. Значення занести до таблиці 2.1.
8.   Збільшити напругу UБЕ на невелике значення (0,01..0,02В) за допомогою опорів подільника RД1-RД2. При цьому виникне зменшення напруги UКЕ за рахунок відкриття транзистора. Повернути значення напруги колектор-емітер UКЕ до значення 6В за допомогою опору RК. Зняти значення струму IБ та напруги UБЕ. Результати занести до таблиці 2.1.  
9.   Виконати п.10 для 4..5 значень до моменту коли не вдається підтримувати необхідний рівень напруги колектора UКЕ.  Побудувати графік вхідной статичної характеристики IБ = f (UБЕ).
10.   Повторити пп. 9-11, підтримуючи значення UКЕ на рівні 9В. Результати занести до таблиці 2.1. Побудувати другу гілку вхідной статичної характеристики IБЕ = f (UБЕ) при UКЕ = 9В.
11.   Повторити пп. 9-11, підтримуючи значення UКЕ на рівні 12В. Результати занести до таблиці 2.1. Побудувати третю гілку вхідной статичної характеристики IБЕ = f (UБЕ) при UКЕ = 12В.

 

Примітка: при знятті значень струму можливо знадобиться не використовувати внутрішній шунт амперментра. Для цього натісніть кнопку розташовану під амперметром. При цьому показники амперметра не потрібно помножати на коефіцієнт, зазначений біля кнопки.

Табл. 2.1.

UКЕ, В

UБЕ, В

IБ, мA

1.   Зняти та побудувати сім’ю вихідних статичних характеристик транзистора IК = f(UКЕ) при постійному значенні струму бази. Для цього виконати наступне.
2.   Для зняття однієї гілки вихідної характеристики виставить змінний опір RК в крайнє праве положення (максімум). За допомогою опорів подільника RД1RД2 встановити значення струму бази IБ = 0,25 мА.
3.   За допомогою резистора RК (або зменшуючи напругу живлення) встановити найменьше значення напруги UКЕ. Зняти значення напруги UКЕ та струму емітера IЕ. Вирохувати значення струму колектора за формулою IК = IЕ – IБ. Занести до таблиці 2.2 значення напруги UКЕ та струму IК.
4.   Збільшуючи за допомогою RК напругу колектор-емітер UКЕ, зняти ще 4..5 значень струму колектора. Результати занести до таблиці. Побудувати графік вихідной статичної характеристики IК = f (UКЕ).
5.   Повторити пп. 15-17 для струмів бази 0,5 мА, 1 мА та 2 мА. Результати занести до таблиці 2.2. Побудувати відповідні гілки вихідної статичної характеристики транзистора.

Табл. 2.2.

IБ, мA

UКЕ, В

IК, мА

1.   Зняти та побудувати перехідну динамічну характеристику транзистора IК=f(IБ),  при EК=15В та RК=10кОм.
2.   Для цього виставить опір RК=10кОм, та змінюйте струм бази IБ за допомогою  подільника RД1-RД2. Зніміть 5..6 значень струмів бази та колектора. Результати вимірювання занести до таблиці 2.3 та побудувати графік.

Табл. 2.3.

IБ, мА
IК, мА
UКЕ, В

1.   На сім’ї вихідних статичних характеристик транзистора побудувати динамічну характеристику навантаження IК = (EК-UКЕ)/RК при EК=15В, RК = 10кОм  та  RК = 5кОм.
2.   На вихідній та перехідній характеристиках транзистора показати ділянки, що відповідають лінійному та ключовому режимам.

Контрольні питання.

1. Які вимоги повинні бути виконані при виготовленні транзистора і чому ?

2. Чому в транзисторі носії заряду, що попали до бази з емітера, вільно проходять з бази до колектора, не дивлячись на те, що колекторний перехід зачинений?

3. Чому виникає струм  IК0 та від чого залежить його значення?

4. В чому різниця статичних та динамічних характеристик транзистора?

5. Як визначити параметр β за знятими характеристиками?

6. Основні режими роботи транзистора, чим вони відрізняються?

Лабораторна робота №3.

Транзисторний підсилювач з ємкісним зв’язком.

Мета роботи: ознайомитись з підсилювальними якостями транзистора, ввімкнутого по схемі з загальним емітером, вивчити характеристики RC-підсилювача (схема з спільним емітером).

Прилади: стенд ЭС-4-А «Однокаскадний підсилювач», плата 1 (схема з СЕ), комплект дротів, осцилограф С1-73.

Рис. 3.1.

Теоретичні відомості та пояснення до виконання роботи.

 Підсилювачем називається пристрій для збільшення потужності електричних сигналів. Потужність вихідного сигналу по відношенню до потужності вхідного сигналу збільшується за рахунок енергії джерела струму.

Принцип підсилення полягає в тому, що малопотужний вхідний сигнал керує потоком енергії значно більшої потужності, що надходить від джерела енергії, в навантаження. Між джерелами струму і навантаженням ввмікнутий підсилюючий елемент, опір якого змінюється під дією вхідого сигналу.

Основні параметри підсилювача.

1) Коефіцієнт підсилення – це відношення вихідного параметра до вхідного.

KU = UВИХ/UВХ - коефіцієнт підсилення по напрузі.

KI = IВИХ/IВХ - коефіцієт підсилення по струму.

KP = PВИХ/PВХ - коефіцієт підсилення по потужності.

2) Вхідний опір – це опір між вхідними клемами підсилювача для змінного струму.

RВХ = UВХ/IВХ

3) Вихідний опір – це опір між вихідними клемами підсилювача для змінного струму.

RВИХ = UВИХ/IВИХ

4) Коефіцієнт корисної дії (ККД) підсилювача – це відношення потужності, яка надходить до навантаження, к потужності, що отримується від джерела струму.

η = РН/РДС.

Основні  характеристики підсилювача.

1. Амплітудна характеристика UВИХ = f(UВХ).

2. Амплітудно-частотна характеристика UВИХ = f(F).

3. Фазо-частотна характеристика φ = f(F).

В загальному випадку вихідна напруга UВИХ і струм підсилення IВИХ зсунуті по фазі відносно вхідної напруги і струму IВХ. В зв’язку з цим коефіцієнт підсилення по напрузі і струму є в загальному випадку величиною комплексною, яка характеризується модулем і фазою:

                         KU = UВИХ/UВХ, KI = IВИХ/IВХ.

Модуль коефіцієнта підсилення залежить від частоти підсилювального сигналу.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) - це залежність модуля коефіцієнта підсилення підсилювача від частоти підсилювального сигналу.

Фазо-частотна характеристика (ФЧХ) - це залежність фазового зсуву між вхідним і вихідним сигналами від частоти.

Приклад АЧХ надан на рис3.2.

Рис. 3.2.

Внаслідок наявності в схемі підсилювача реактивтивних елементів, а також частотних властивостей транзистора  коефіцієнт підсилення підсилювача має різні значення на різних частотах. Це явище називають частотним спотворюванням.

Для його оцінки вводиться параметр - коефіцієнт частотних спотворювань М, равний відношенню коефіцієнта підсилювання на середніх частотах (СЧ) KU0  до коефіцієнта підсилювання на даній частоті KUf:

M = KU0/KUf.

Частоти, на яких коефіцієнт спотворення М досягає максимального значення, називається верхньою fВ і нижньою fН граничними частотами. Різниця

F = fВ - fН

називається смугою пропускання підсилювача. Часто М приймають рівним: √2 = 1,41.

Амплітудна характеристика підсилювача - це залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного.

Для ідеального підсилювача амплітудна характеристика становить пряму лінію, що проходить через початок координат. Амплітудна характеристика реального підсилювача співпадає з характеристикою ідеального тільки на відрізку АВ (рис.3.3). При великих вхідних сигналах UВХ > UВХ МАКС  або дуже малих UВХ < UВХ МИН вихідна напруга підсилювача перестає зростати. Це пов’язано з тим, що в режимі великих вхідних сигналів робоча точка транзистора заходить в режим насичення, а в режимі малих вхідних сигналів робоча точка транзистора заходить в режим відсічки (виявляються нелінійні властивості транзистора). При цьому вихідний сигнал спотворюється. Це явище називається напругою власних шумів підсилювача. Власні шуми підсилювача обумовлені різними перешкодами і наводками, а також непостійністю електричних процесів. За допомогою підсилювача не можливо підсилювати  сигнали з амплітудою UВХ < UВХ МИН, бо підсилений сигнал не можливо знайти в власних шумах підсилювача.

Відношення UВХ МАКС/UВХ МИН = D називається динамічним діапазоном підсилювача.

Рис. 3.3.

Найширше розповсюдження отримали підсилювачі, в яких транзистор ввімкнутий по схемі зі спільним емітером. Такі підсилювачі дають максимальний коефіцієнт підсилення по потужності КP.

Рис. 3.4.

Підсилювач з резистивно-ємкісним зв’язком (RC-підсилювач) - це багатокаскадний підсилювач, в якому зв’язок між каскадами здійснюється через розподільні конденсатори. На рисунку 3.4 показана схема одного каскаду підсилення.

Основним елементом підсилюючого каскаду є транзистор VT, що забезпечує підсилення електричного сигналу. Резистори R1 та R2 є вхідним подільником напруги. Вони забезпечують режим роботи базового ланцюга по постійному струму, тобто визначають клас підсилювання підсилювача.

Опір RК являє собою колекторне навантаження транзистора. За допомогою цього резистора задається режим роботи колекторного ланцюга транзистора по постійному струму. Резистор RЭ забезпечує від’ємниий зворотній зв’язок по постійному струму і установлений для термостабілізації робочої точки транзистора. Конденсатор СЭ по змінному струму шунтує резистор RЭ та відключає від’ємний зворотній зв’язок по змінному струму (для підсилювального сигналу).

Роздільчий конденсатор СР1 розділяє джерело вхідного сигналу ЕВХ та вхід підсилювача по постійному струму. Оскількі конденсатор пропускає тільки змінний струм, на вхід підсилювача буде подаватись тільки змінна складова вхідного сигналу. Крім цього, постійна напруга з подільника R1R2 не буде впливати на режим роботи джерела вхідного сигналу ЕВХ. Застосування СР2 аналогічне. Цей роздільчий конденсатор розділяє вихід підсилювача та навантаження RН по постійному струму. В результаті в навантаження буде подаватися тільки змінна складова підсиленого сигналу. Якщо підсилювач багатокаскадний, то навантаженням RН буде вхідний опір наступного каскаду.

Принцип роботи транзисторного підсилювача полягає в тому, що при невеликій зміні вхідного сигналу, прикладений між базою та емітером транзистора, струм бази змінюється на деяке значення ІБ. При цьому струм колектора змінюється на значно більше значення ІК = βІБ.

Навантаженням транзистора по змінному струму є резистори RК та RН, бо зміна складова струму колектора розділяється на резистори  RК та RН, які по змінному струму включені паралельно. Таким чином, еквівалентний опір навантаження транзистора по змінному струму

RН ЕКВ = RКRН/(RК+RН).

Принцип підсилювання найвиразніше можна показати на графіках характеристик транзистора (рис. 3.5).

Рис. 3.5.

Режим роботи підсилювача та клас підсилення визначається вибором робочої точки О на вхідній та вихідній динамічних характеристиках  транзистора. Для отримання максимальної вихідної потужності  на навантаженні динамічна навантажувальна характеристика обирається таким чином, щоб вона знаходилася біля лінії максимально дозволеного режиму РК МАКС, але не перетинала її. В режимі підсилення класу А робоча точка О обирається приблизно посередині динамічної навантажувальної характеристики. З графіків випливає, що підсилюючий каскад, зібраний за схемою з спільним емітером, змінює фазу вихідної напруги UКЕ по відношенню до вхідної UБЕ на 1800. Побудовані графіки дають змогу визначити основні параметри підсилюючого каскаду:

RВХ = ∆UВХ/∆IВХ = (UБЕ МАКС – UБЕ0)/(IБ МАКС – IБ0),

KI = ∆IВИХ/∆IВХ = (IК МАКС – IК0)/(IБ МАКС – IБ0),

KU = ∆UВИХ/∆UВХ = (UКЕ МАКС – UКЕ0)/(UБЕ МАКС – UБЕ0),

RВИХ= = RК.

Розглянута схема має АЧХ, показану на рис. 3.2. Зниження коефіцієнта підсилення на низьких частотах (НЧ) пов’язане з наявністю роздільчих конденсаторів СР1, СР2, а також конденсатора СЕ. При зниженні частоти опір конденсатора XС = 1/ωC зростає. В результаті падіння напруги на них збільшується. Це призводить до зменшення підсилюваної напруги на навантаженні. В області середніх частот (СЧ) опір конденсаторів  СР1, СР2, СЕ стає занадто малим і його можна не враховувати. В області високих частот (ВЧ)  починають виявлятися частотні властивості транзистора і його коефіцієнт підсилення падає. Розглянута схема підсилюючого каскаду має хороші якісні показники і знаходить широке застосування як частина різних транзисторних пристроїв.

Порядок виконання роботи.

1.  Ознайомитись з електричною схемою і органами керування стендом (рис.3.6).

Рис. 3.6.

1.  Встановити на стенд плату 1 «Однокаскадний підсилювач зі спільним емітером».
2.  Встановити тумблер S1 в положення С2, S2 в положення С4, S4 в положення СЕ2, тумблер S3 в верхнье положення. Встановити для всіх дослідів:

 ЕК = 15 В;

 RЕ = 680 Ом;

    RК = 10 кОм;

RН в положення максімум.

1.  За допомогою дрота під’єднати генератор стенда до гнізда 3. Під’єднати вхід осцилографа до гнізд «4» та корпусу «». За допомогою осцилографа виставити на виході генератора сигнал напругою UВХ = 0,05 В та частотою f  = 1 кГц.
2.  Після цього потрібно виставити робочу точку підсилювача. Для цього перемкніть осцилограф на вихід підсилювача (гнізда «11» та «»). За допомогою подільника RД1RД2 досягніть неспотвореного сигналу на виході підсилювача. При цьому амплітуда виходного сигналу повинна бути не меньш ніж в десять разів більша за вхідну.
3.  Зняти і побудувати амплітудно-частотну характеристику RC-підсилювача для різних значень роздільчих конденсаторів СР1, СР2 та конденсатору емітера СЕ.

 Для цього, змінюючи частоту вхідного сигналу, вимірювати  амплітуду  та частоту на виході підсилювача за допомогою  осцилографа. Амлітуду  вхідного сигналу при цьому змінювати не  потрібно (UВХ = 0,05В). Зняти АЧХ для кожного з трьох випадків:

 

 Дослід 1: СЕ2 = 500 мкФ, С2 = 20 мкФ, С4 = 20 мкФ;                  

 Дослід 2: СЕ2 = 500 мкФ, С1 = 0,25 мкФ, С3 = 0,25 мкФ;                        

 Дослід 3: СЕ1 = 2 мкФ, С2 = 20 мкФ, С4 = 20 мкФ.                        

                        

 Для кожного з дослідів зняти не меньше ніж 4..5 значень на кожний поддіапазон генератора (усього 10..15 значень на дослід). Результати дослідів занести до таблиць 3.1, 3.2, 3.3.

Табл. 3.1. Дослід 1.

f, кГц

Uвих, В

Табл. 3.2. Дослід 2.

f, кГц

Uвих, В

Табл. 3.3. Дослід 3.

f, кГц

Uвих, В

1.  Побудувати графіки. Графікі для всіх трьох дослідів будувати в одній системі координат. Зробити висновки.
2.  За частотними характеристиками визначити для RC–підсилювача:

  максимальний коефіцієнт підсилення на середніх частотах KU0;

  нижню межову частоту fН та верхню межову частоту fВ на рівні  0,707KU0;

 смугу пропускання підсилювача F = fВ - fН.

Лабораторна робота №4.

Емітерний повторювач.

Мета роботи: ознайомитись з підсилювальними якостями транзистора, ввімкнутого по схемі з спільним колектором, вивчити характеристики емітерного повторювача (схема зі спільним колектором).

Прилади: стенд ЭС-4-А «Однокаскадний підсилювач», плата 2 (схема з СК), комплект дротів, осцилограф С1-73.

         

Рис. 4.1.

Теоретичні відомості та пояснення до виконання роботи.

Емітерний повторювач – це  підсилюючий каскад, зібраний по схемі з загальним колектором. Схема емітерного повторювача показана на рисунку 4.2.

Рис. 4.2.

Призначення основних елементів данної схеми аналогічно попередній. Різниця полягає ось у чому. Резистор Rэ задає робочу крапку вихідного ланцюга транзистора. Навантаженням транзистора по змінному струмі є паралельно ввімкнені опори RН та RЕ. Еквівалентний опір навантаження:

RН ЕКВ = RН RЕ/(RН+RЕ)

Вихідна напруга підсилювача

UВИХ = UВХ – UБЕ.

Оскільки напруга UБЕ дуже мала, то можна вважати, що UВИХ = UВХ. Таким чином, емітерний повторювач не підсилює напругу (КU = 1). Але схема забезпечує підсилення струму, бо

ІЕ = (β + 1)ІБ.

Таким чином, емітерний повторювач забезпечує підсилення струму і потужності.

В схемі емітерного повторювача немає шунтуючого конденсатора Сэ. Таким чином, вся вихідна напруга виділяється на резисторі Rэ. По відношенню до переходу база-емітер транзистора ця напруга включена послідовно та зустрічно з вхідною напругою. Таким чином, в схемі немає стовідсоткового послідовного від’ємного зворотнього зв’язку по вихідній напрузі. В зв’язку з цим емітерний повторювач має великій вхідний та малий вихідний опір. Вказані властивості емітерного повторювача визначають його застосування. Емітерний повторювач використовують як підсилювач струму, як елемент узгодження високоомного джерела вхідного сигналу з низькоомним навантаженням. У зв’язку з тим, що в емітерному повторювачі забезпечується глубокий від’ємний зворотній зв’язок, він адекватним чином впливає на параметри та характеристики підсилювача. Поліпшується амплітудно-частотна характеристика та смуга пропускання розширюється, зменшуються лінійні та нелінійні спотворення і т.і., але коефіцієнт по напрузі падає.

Порядок виконання роботи.

1.  Встановити на стенд плату 2 «Емітерний повторювач». Ознайомитись з електричною схемою і органами керування стендом (рис. 4.3).

Рис. 4.3.

2. Встановити тумблер S1 в положення С2, S2 в положення С4, тумблер  S3 в верхнье положення. Встановити для всіх дослідів:

 ЕК = 15 В;

 RЕ = 680 Ом;

    RН в положення максімум.

1.  За допомогою дрота під’єднати генератор стенда до гнізда 3. Під’єднати вхід осцилографа до гнізд «4» та корпусу «». За допомогою осцилографа виставити на виході генератора сигнал напругою UВХ = 0,05 В та частотою f  = 1 кГц.
2.  Після цього потрібно виставити робочу точку підсилювача. Для цього перемкніть осцилограф на вихід підсилювача (гнізда «11» та «»). За допомогою подільника RД1RД2 досягніть неспотвореного сигналу на виході підсилювача.
3.  Зняти і побудувати амплітудно-частотну характеристику емітерного повторювача для різних значень роздільчих конденсаторів СР1, СР2.

 Для цього, змінюючи частоту вхідного сигналу, вимірювати  амплітуду  та частоту на виході підсилювача за допомогою  осцилографа. Амлітуду  вхідного сигналу при цьому змінювати не  потрібно (UВХ = 0,05В).

  Зняти АЧХ для кожного з двох випадків:

 

 Дослід 1: С2 = 20 мкФ, С4 = 20 мкФ; 

 Дослід 2: С1 = 0,25 мкФ, С3 = 0,25 мкФ.                                    

                        

 Для кожного з дослідів зняти не меньше ніж 4..5 значень на кожний поддіапазон генератора (усього 10..15 значень на дослід). Результати дослідів занести до таблиць 4.1, 4.2.

Табл. 3.1. Дослід 1.

f, f, кГц

UUвих, В

Табл. 3.2. Дослід 2.

f, f, кГц

UUвих, В

1.  Побудувати графіки. Графікі для всіх дослідів будувати в одній системі координат. Зробити висновки.
2.  За частотними характеристиками визначити для RC–підсилювача:

 максимальний коефіцієнт підсилення на середніх частотах KU0;

 нижню межову частоту fН та верхню межову частоту fВ на рівні 0,707KU0;

 смугу пропускання підсилювача F = fВ - fН .

8.Замалювати форму вхідної і вихідної напруги емітерного повторювача.

Контрольні питання.

1.В чому полягає принцип підсилення транзисторного підсилювача?

2.Призначення елементів схеми RC-підсилювача і емітерного повторювача.

3.Пояснити за допомогою графіків, чому збільшення опору навантаження Rн призводить до зростання Кu?

4.Чим пояснюється спад АЧХ на низьких та високих частотах?

5.Що таке власні шуми підсилювача?

6.Чому емітерний повторювач не підсилює напругу?

Література.

1.  Л.Д. Васильєва, Б.І. Медведенко, Ю.І. Якименко. Напівпровідникові прилади: Підручник – К.: ІВЦ «Видавництво Політехніка», 2003, 388 стор.
2.  Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. – Киев, Выща школа, 1989, 424 стр.
3.  Ю.С. Забродин. Промышленная электроникаю. – М.: Высш.шк., 1982.

PAGE  42

А

Рис. 1.3.

Рис. 2.4.

Контрольна лінія

ертикальне відхилення

Рис. 1.4.

T

Період сінусоідального сигналу

UВИХ

UВХ

UВХ МИН

UВХ МАКС

А

B

1. Меркантилизм как предтеча государственного регулирования рыночных отношений
2. .Формирование информационных ресурсов на основе Статистического регистра хозяйствующих субъектов 2
3. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата економічних наук Ки
4. Классификация НС взаимосвязь ее отделов
5. Вклад Петра Великого в развитие издательского дела и редактирования
6. Правопорядок як основа суспільного порядку
7. слуховые ориентировочные статокинетические выпрямительные локомоторные Разрушение красног
8. к тр предст собой общественноэкономическую форму движения рабочей силы трудовых ресурсов соответствующ
9. Рыбы на литорали
10. Виды делятся на местные основные и дополнительные виды
11. Нижегородский государственный архитектурностроительный университет Кафедра безопасности жизнеде
12. Тема- Особенности развития детского голоса Выполнил- студент IV курса заочного отделения музыкальног
13. Контролируемые поставки.html
14. На тему- ldquo;Глобальные проблемы человечестваrdquo; Выполнил студент групп
15. практикантки 4го курсу 45 ПРПС групи спеціальності практична психологія денної форми навчання Скиби І
16. Молочница
17. тема США имеет большое сходство с английской что проявляется и в правовом регулировании отношений возника
18. на тему- Как руководить людьми вызывая уважение и доверие
19. тематичного забезпечення ЕОМ Днiпропетровського національного унiверситету Міністерства освіти і науки Укр
20. Понятие герменевтики

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе