СТКУ Лаб Методичка

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра схемотехники электронных устройств

Методические указания К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по курсу “Схемотехника аналоговых электронных устройств”

210400

Санкт-Петербург

2012г

1

УДК 621.

Методические указания к лабораторным работам по курсу “Схемотехника аналоговых электронных устройств”

Составители: проф. А.Г. Алексеев, доц. П.В. Климова

План УМД 2012 г.

Одобрено редакционно-издательским советом университета. Протокол от __.__.12.

В методических указаниях излагаются вопросы общих методов измерения различных характеристик и параметров аналоговых устройств, выполненных на дискретных элементах и на интегральных микросхемах. Методические указания предназначены для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 210400 при выполнении ими лабораторных работ по курсу “Схемотехника аналоговых электронных устройств”.

Ответственный редактор: доц. П.В. Климова

Рецензент:

2

СОДЕРЖАНИЕ:

1. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ……………………………...…………………….

………….….4

1.1.Порядок проведения занятий в лаборатории…………………………………………..4

1.2.Краткое описание лабораторного оборудования…………………………….………....4

1.3.Порядок подготовки к работе и включение стойки……………………………............5

1.4 Общие сведения о методике проведения эксперимента и измерений………………...8

2. ОПИСАНИЕ И СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ «СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

……………………………………………………….…………………………………..…….14

РАБОТА 1. Измерение основных параметров исследуемого устройства

.……………………………………………………………………….…….14

РАБОТА 2. Исследование резисторного каскада на биполярном

Транзисторе…………...………………………………………...............18

РАБОТА 3. Исследование резисторного каскада на полевом транзисторе ………………………………………………........20

РАБОТА 4. Исследование транзисторного бестрансформаторного усилителя мощности с обратной связью ………………..…..….24

РАБОТА 5. Исследование схем с ОУ на ИС………………………....….28 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………….………………...….32

3

I. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ

1.1.Порядок проведения занятий в лаборатории.

1.1.1.Подготовка к работе

Подготовка к выполнению работы включает:

1.Ознакомление с описанием лабораторного оборудования и методическими указаниями к лабораторной работе, а также с бланками отчета.

2.Изучение рекомендованной литературы.

3.Выполнение расчетов по заданию преподавателя.

4.Перед выполнением первой работы студент должен ознакомиться с

1.1.2.Порядок проведения занятий в лаборатории

1.Лабораторные работы выполняются фронтально всей группой в часы, предусмотренные расписанием, бригадами не более трех человек.

2.Каждый студент перед началом лабораторной работы представляет предусмотренные бланком отчета расчеты к данной лабораторной работе.

3.Каждый студент должен знать правила техники безопасности, которые проверяются перед первым занятием.

4.После окончания работы студентом выключается стойка и приборы, рабочее место приводится в порядок, а результаты эксперимента представляются для визирования преподавателю

1.1.3. Оформление отчета

По каждой лабораторной работе составляется отчет, в который включаются результаты предварительных расчетов и экспериментальных исследований в виде таблиц, графиков, осциллограмм, а также проводятся объяснения полученных результатов, как указано в специальном бланке, соответствующем данной лабораторной работе.

1.2 Краткое описание лабораторного оборудования

Учебно-лабораторное оборудование содержит: настольный стенд со сменными панелями для исследования схем; блок источников питания; контрольные измерительные приборы и органы общего управления (рис.1.1).

Блок источников питания расположен в задней части стенда на отдельном выдвигающемся шасси с доступом через заднюю крышку стенда; содержит трансформатор, выпрямители, сглаживающие фильтры, стабилизатор напряжении ± 15 В/0,5 А и стабилизатор напряжения -15В/2 А; подключается к общей схеме соединений лабораторного стенда и к

4

схеме исследуемого усилителя с помощью двух выходных разъемов, расположенных на передней боковой стенке шасси.

Блоки выпрямителей, фильтров и стабилизаторов выполнены на отдельных печатных платах, вставляемых вертикально по направляющим в разъемы, установленные на общем шасси. Монтаж межблочных соединений между разъемами расположен под шасси.

На задней стенке шасси расположены клеммы корпуса, держатель предохранителя сети на 2А и разъем для подключения сетевого шнура.

Панель содержит измерительные приборы для контроля напряжении источников питания, напряжений в различных точках исследуемых схем и рабочих токов, а также для контроля установки нуля в исследуемых интегральных схемах, выключатель «СЕТЬ», обеспечивающий подачу напряжения сети 220 В на лабораторный стенд, и индикаторную лампочку.

Панель управления содержит разъемы "ВХОД I" и "ВЫХОД" для подключения к лабораторному стенду соответственно генератора стандартных сигналов и двухканального осциллографа; входные "ВХОД 2" и выходные "ВЫХОД", спаренные разъемы и клеммы для подключения соответственно ко входу и выходу исследуемого усилителя милливольтметров, измеряющих синусоидальное напряжение переменного тока, и других дополнительных измерительных приборов; клеммы корпусные " " для подключения заземляющего штекера соединительных кабелей и измерительных приборов. Органы общего управления и регулирования снабжены соответствующими надписями.

Панель исследования сменная. Она располагается в центре панели управления лабораторного стенда, содержит исследуемый усилитель и органы коммутации его схемы соответственно методике проведения лабораторной работы. На лицевой панели содержится рисунок принципиальной или структурной схемы соответствующего усилителя.

1.3. Порядок подготовки к работе и включение стойки

I.3.1. Перед началом работы на генераторе ГЗ-112 установить регулировки выходного напряжения в положение слабого уровня. С этой целью аттенюатор дискретного ослабления выходного уровня "ОСЛАБЛЕНИЕ, дБ" должен находиться в положении "30-70", а ручка плавной регулировки выходного напряжения "" - в крайнем левом положении. На милливольтметрах ВЗ-56 переключатель поддиапазонов

5

"mV-V" следует установить в положение 30 В; на осциллографе CI-93 органы управления ставятся в исходные положения, указанные в табл.1.1.

Табл.1.1

Включить "СЕТЬ" на измерительных приборах. Приборы готовы к проведению измерений через 5 мин.

1.3.2. Источником сигнала для исследуемых усилителей является генератор сигналов ГЗ-112, который может быть использован в режиме генерирования сигналов синусоидальной и прямоугольной формы в зависимости от положения тумблера переключения режимов работы генератора « ~ » или «». Необходимая частота выходного сигнала

генератора устанавливается переключателем поддиапазонов частот "МНОЖИТЕЛЬ" и ручкой плавной перестройки частоты "ЧАСТОТА Hz ". Выходное напряжение генератора (входное напряжение для исследуемого усилителя) увеличивать постепенно, используя ручки дискретной и

6

плавной регулировок и контролируя его величину по осциллографу или милливольтметру.

1.3.3. Для измерения напряжения на входе и выходе исследуемого усилителя используются милливольтметры переменного тока ВЗ-56.

Выбор шкалы (пределов измерения) милливольтметра в соответствии с диапазоном измеряемых напряжений осуществляется с помощью переключателя поддиапазонов " mV-V". Рекомендуется для обеспечения точности измерения устанавливать такой предел шкалы при котором стрелка прибора располагается в правой её половине.

1.3.4. Для наблюдения формы входного и выходного сигналов используется двухканальный осциллограф CI-93.

Водноканальном режиме наблюдается исследуемый сигнал одного из каналов, при этом переключатель работы устанавливается в положение "I" или "II". В двухканальном режиме исследуемый сигнал наблюдается "I" и "II" каналом, при этом переключатель режима работы устанавливается в положение "..." при скоростях развертки ниже 0,5mS, и в положение " " - при скоростях развертки выше 0,5 mS .

Врежиме внутренней синхронизации развертки (положение "ВНУТР.I" или "ВНУТР.II) сигнал синхронизации снимается с выхода I или II каналов. При этом режим запуска схемы синхронизации выбирается автоматический (полож."АВТ"), независимый от запускающего сигнала. Выбор полярности

запуска схемы синхронизации осуществляется переключателем «». Устойчивости синхронизации можно добиться ручкой "УРОВЕНЬ" и ручкой «СТАБ. ВЧ» на частотах выше 5 МГц. Размер изображения по горизонтали определяется длительностью развертки, которую устанавливают, исходя из частоты подаваемого сигнала (длительность периода которого Т= 1/f): дискретно переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» устанавливается коэффициент развертки и плавно центральной ручкой "ПЛАВНО" этого же переключателя. Размер изображения по вертикали определяется амплитудой подаваемого сигнала: дискретно переключателем

"V /ДEЛ." устанавливается коэффициент отклонения и плавно центральной ручкой этого же переключателя.

1.3.5. После разрешения преподавателя включить "СЕТЬ" на контрольной панели лабораторного стенда. При этом на исследуемый усилитель подаются необходимые напряжения питания от блока источников питания и на контрольной панели стенда зажигается индикаторная лампочка.

1.3.6. Дальнейшая коммутация проводится согласно методике проведения соответствующей лабораторной работы.

1.4. Общие сведения о методике проведения эксперимента и измерений:

7

1)Перед проведением любой экспериментальной работы необходимо ознакомиться с задачей эксперимента, с последовательностью его проведения.

2)Еще до включения аппаратуры рекомендуется оценить, каковы ожидаемые результата исследования и установить на приборах требуемые пределы измерения.

3)Перед проведением эксперимента обратить внимание на методику измерения исходных параметров, используемых для построения соответствующих характеристик.

4)При измерении коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений, снятии АЧХ и ПХ уровень входного сигнала U1 max или Е1 max не должен превышать значения, при котором становятся заметными нелинейные искажения сигнала на выходе [1,2]. Практически рекомендуется выбирать U1≤ 0,3U1max или Е1≤ 0,3E1max.

5)Расчетная часть выполняется по заданию преподавателя.

1.4.1.Измерение коэффициента усиления

На рис 1.2 показана функциональная схема установки для измерения коэффициента усиления усилителя A1, содержащая лабораторный генератор PG1 и два вольтметра PV1 и PV2. Для контроля формы кривой входного и выходного напряжений используется осциллограф PS1.

Рис.1.2. Функциональная схема, используемая для измерения коэффициентов усиления, входного и выходного сопротивления усилителя, а также для снятия его АХ, АЧХ и ПХ

Измерению подлежат коэффициент усиления по напряжению К= U2/U1, по ЭДC КE=U2/E1, по току KI=I2/I1 и по мощности Кр = P2/P1. KE=K*Rвх/(R1Г+Rвх), KI=K*Rвх/R2H ,

Кр=К*КI=K 2 *RBX/R2H,(1.1)

где R1Г - внутреннее сопротивление источника сигнала, равное сопротивлению резистора R1, а Rвх = U1/I1 - входное сопротивление усилителя, методика измерения которого изложена ниже.

Перед непосредственным измерением следует проверить соединения схемы (рис. 1.2), установить переключатель (тумблер) S1 в положение I,

8

включить питание приборов и лабораторного макета. Плавно увеличивая входное напряжение U1 средней частоты ( f0 = I кГц), наблюдать форму выходного сигнала. При появлении сколько-нибудь заметных искажений синусоидального сигнала (притупление-ограничение вершины или впадины) зафиксировать полученные предельные значения Е1mах, U2mах и, переведя переключатель S1 в положение 2, определить U1max,

При измерении коэффициентов усиления К, KE, KI и снятии характеристик: амплитудной (АХ), амплитудно-частотной (АЧХ) и переходной (ПХ) - в целях снижения погрешности измерений, напряжения входного сигнала E1 и U1 устанавливаются с таким расчетом, чтобы выходное напряжение не превышало 0,5U2max с удобным округленным значением, например, U2=I В

1.4.1.1. Измерение коэффициента усиления ОУ без ОС заслуживает дополнительного пояснения. В связи с тем, что КОУ достигает нескольких порядков, в номинальном режиме входное напряжение на его входе составляет доли мВ, что соизмеримо с уровнем шумов в исследуемом макете.

Первоначально подготавливаем проведение эксперимента. При выключенном генераторе сигнала в режиме УПТ ручку уровня сигнала на генераторе устанавливаем в положене 30 дБ, ручку плавной регулировки уровня до упора влево. На входном вольтметре установлена шкала 1 мВ, на выходном1В. При развёртке 5-10 mS на экране осциллографа видим шумы и наводки от сети переменного тока.

Приступаем к измерениям. Включаем генератор, подаём на вход усилителя сигнал с частотой 30-40 Гц. Плавно, аккуратно увеличиваем уровень сигнала. Некоторое время стрелка входного вольтметра не двигается. Это говорит о том, что уровень сигнала меньше уровня шумов. На выходе ОУ осциллограф покажет гармонический сигнал раньше, чем на входе. Увеличиваем сигнал на входе ОУ до тех пор, пока выходной сигнал U2 не достигнет величины 1В. В этой позиции следует зафикировать величину входного сигнала U1. Изменяя в какую-либо сторону подаваемый от генератора сигнал, получаем новые значения напряжений U1′ и U2′ . Отношение приращений ∆U2/∆U1даёт искомый ответ.

1.4.2. Измерение входного сопротивления усилителя.

Для измерения Rвх на частоте f0 независимо от вида усилителя используется косвенный метод, обладающий достаточной точностью, с помощью схемы на рис.1.2, из которой следует, что Rвx= U1/I1. Учитывая, что

I1=(E-U1)/R1,получимRвx=U1R1/(E-U1),(1.2)

1.4.3. Измерение выходного сопротивления усилителя

Метод измерения Rвыx основан на том, что эквивалентная схема усилителя в форме четырехполюсника содержит зависимый источник ЭДС,

9

равной Е2, с внутренним (выходным) сопротивлением Rвых, которые остаются на частоте fo неизменными при E1 = const (или U1=const). Само измерение ведется по схеме рис.1.2, в которой предусмотрено изменение сопротивления нагрузки R2H с помощью переключателя S2.

В положении 1 измеряется выходное напряжение U2,1=R2H1Е2/(RВЫХ + R2H1), в положении 2 измеряется выходное напряжениеU2,2= R2Н2E2/ (RВЫХ+R2Н2) при неизменном Е1 (или U1). Из этих уравнений получаем

RВЫХ = R2H1 R2Н2 (U2,2-U2,1) /( U2,1 R2Н2- U2,2 R2H1).(1.3)

Естественно, что в настоящем исследовании необходимо вести наблюдение формы выходного сигнала, и не допускать его заметного искажения.

1.4.4. Снятие амплитудной характеристики

Для измерения напряжений, определяющих амплитудную характеристику (АХ), используется схема рис. 1.2 в положении 2 переключателя S1 при f=fo.

На рис.1.3 показан вид ожидаемой характеристики, имеющей (до U2max) линейную часть, а выше - нелинейную. Нелинейность начального участка АХ объясняется наличием внутренних помех U2 Ш (ШУМ, фон), измеряемых на выходе усилителя при отсутствии входного сигнала.

Измерение U2 = f(U1) можно начинать с U1 = 0 и производить через равные значения приращения ΔU1. Однако в этом случае трудно предугадать удобное

числоотсчетных точек. Практически рекомендуется начинать отсчеты с точки U1 =U1MAX и U2 =U2MAX , методика нахождения которых изложена в п. 1.4.1.

Интервал от U1MAX до 0 целесообразно разбить на 4...5 частей, для которых отсчитывать U2 . При этом интерес представляет форма АХ и для значений U1, несколько (на 30....50%) превышающих U1MAХ..

1.4.5. Снятие амплитудно-частотной характеристики

График зависимости модуля коэффициента передачи от частоты КE(f) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). При построении АЧХ величина коэффициента передачи, выраженная в децибелах, откладывается по оси ординат в линейном масштабе, а частота f (когда граничные частоты fв>>fн ) по оси абсцисс - в логарифмическом.

На практике бывает удобно пользоваться нормированными характеристиками коэффициента передачи (усиления) в децибелах. Оба способа изображения АЧХ представлены на рис 1.4.

10