Сам_раб_КЕ_3сем_1мод

15

Самостоятельная работа по «компьютерной электронике»

семестр 3, модуль 1

ЗАВДАННЯ № 1

«Розрахунок пристроїв на операційних підсилювачах»

Теоретичні відомості

Операційний підсилювач – багатокаскадний напівпровідниковий підсилювач з великим коефіцієнтом посилення по напрузі (Кu 20 10³), великим вхідним і малим вихідним опорами. Назва “операційний” залишилася від лампових підсилювачів, спеціально розроблених для виконання арифметичних і логічних операцій в пристроях обчислювальної техніки. Сучасні операційні підсилювачі (ОП) мають інтегрального виконання і в одному корпусі інтегральної мікросхеми (ІМС) можуть знаходитися один або декілька ОП. Мала вартість, гнучкість в застосуванні, простота настройки схем з ОП і надійність ОП забезпечили ним використання в багатьох областях техніки, а особливо в обчислювальній техніці. ОП застосовуються також в джерелах живлення і генераторах сигналів, в системах відображення даних і вимірювань.

Операційний підсилювач має п'ять основних виводів: 2 для підключення джерела живлення, 2 для подачі вхідних сигналів, 1 для зняття вихідної напруги. Живлення ОП двохполярне з середньою крапкою на загальному дроті. Найбільш поширені значення напруги живлення: 6.3 V; 12.6V; 15V; 18V. Для ОП спеціального призначення може застосовуватися однополярное живлення. Вказана напруга вимірюється щодо загального дроту. Uвих може приймати позитивні і негативні значенния. Струм виходу ОП обмежений значенням 510 mA. Граничний рівень вихідної напруги ОП, званий напругою насичення ОП – Uнас менше напруги живлення Uп на 1.52V. Наприклад, при Uп = 15V амплітуда вихідної напруги ОП обмежена в межах 13V.

Прямій і інверсний входи ОП називаються диференціальними (різнісним) оскільки вихідна напруга Uвих залежить від різниці напруги ∆Uвх на них і коефіцієнта посилення Кu підсилювача. Полярність напруги Uвих залежить від полярності ∆Uвх. Uвих позитивно, коли напруга на прямому вході вище за напругу на інверсному вході і ∆Uвх  0. При ∆Uвх  0 напруга Uвих приймає негативні значення.

Це властивість ОП використовується в схемах компаратора (нуль – орган, зрівнювальний пристрій), що порівнює значення двох сигналів, що подаються на входи ОП.

Якщо сигнал по інверсному входу ОП більше сигналу по прямому входу, то на виході ОП встановлюється – Uнас. При зворотному співвідношенні сигналів Uвых =  Uнас. Вихідна напруга, як наголошувалося вище, не може вийти за  Uнас . При живленні  15V і Uнас =  13V, щоб ОП діяв як підсилювач при коефіцієнті посилення Кu = 30 10³, диференціальна напруга ∆Uвх повинна бути в межах  Umax =  Uнас / Кu =  13V / 30 10³ = 0.43 10^-3 V.

Як видно, зміна ∆Uвх в режимах посилення сигналів відбувається в дуже малих межах і при аналізі властивостей схем посилення на ОП приймається зразкова рівність потенціалів диференціальних виводів.

Для практичного використання ОП в схемах посилення вводиться негативний зворотний зв'язок, тобто сигнал з виходу ОП через резистор зворотного зв'язку подається завжди на інверсний вхід ОП. В цьому випадку властивості підсилювачів на ОП залежать від параметрів зовнішніх елементів схем і їх з'єднання.

На рису. 1.1 приведено включення ОП в схему інвертуючого підсилювача з негативним зворотним зв'язком, що забезпечує посилення сигналів як перемінного, так і постійного струму.

Рисунок 1.1 Інвертуючий підсилювач

До резистора R1, включеного в ланцюг інверсого входу ОП, прикладений вхідний сигнал Uвх. Прямой вхід ОП приєднаний до спільного дроту через резистор R3. Зворотний зв'язок здійснюється за допомогою резистора R2.

При аналізі роботи схеми приймають два допущення:

• напруга ∆U між диференціальними входами ОП практично рівна 0V;

• струм, споживаний диференціальними входами ОП, нехтує малий.

По першому допущенню напруга ∆Uвх практично рівна 0V і можна вважати, що інверсний вхід ОП має потенціал загального дроту. Тоді струм через резистор R1 за законом Ома I = Uвх / R1.

По першому закону Кирхгофа для точки «а»:I = I_R2 + I_{вх оу}. Оскільки по второму допущенню струм інверсного входу ОП нехтує малий, то вхідний струм схеми рівний струму Iос поточному через резистор R2 включеного в ланцюг зворотного зв'язку. Падіння напруги на резисторі R2: U_R2 = R2*I = Uвх.(R2/R1). Напруга U_R3 – це різниця потенціалів між загальною точкою резисторов R3, Rн і інверсним входом ОП, що має практично нульовий потенціал, рівно напрузі Uвих.

Враховуючи, що Uвих має полярність, протилежну полярності Uвх, то Uвих = -Uвх(R2/ R1).

Коефіцієнт посилення інверсного підсилювача, охопленого зворотним зв'язком визначається як Кu = Uвих/Uвх = – (R2/ R1). Змінюючи співвідношення резисторів можна отримувати необхідний коефіцієнт посилення схеми. При зміні полярності вхідного сигналу змінюється також полярність вихідної напруги.

Якщо сигнал, що підлягає посиленню, містить постійну і змінну складові, а необхідно підсилити тільки змінну складову, то у вхідному ланцюзі підсилювача ставиться розділовий конденсатор.

На рис 1.2 приведена схема неінвертуючого підсилювача на ОП. Вхідний сигнал Uвх подається через резистор R3 до прямого входу ОП. Інверсний вхід ОП сполучений із загальним дротом резистором R1. Зворотний зв'язок здійснюється резистором R2.

а б

Рисунок 1.2 Неінвертуючий підсилювач а) по постійному струму, б) по перемінному струму

Струм прямого входу ОП нехтує малий і падіння на резисторі R3 відсутнє. Тоді до прямого входу ОП практично прикладений потенціал вхідного сигналу Uвх. Под цим же потенціалом знаходиться і інверсний вхід ОП, оскільки в режимі посилення різниця напруги двох входів ОП близька до 0V. Струм через резистор R1 за законом Ома: I=Uвх/ R1. Цей струм рівний струму резистора зворотного зв'язку R2. Напруга на виході рівна сумі падінь напруги на резисторах R1 і R2:

Uвих = U_R1 + U_R2 = Uвх + U_R2 = (Uвх+ Uвх R2/R1)

Звідси коефіцієнт посилення схеми неінвертуючого підсилювача:

Кu = Uвих /Uвх = ( 1 + R2/R1)

Як видно, і в цьому випадку коефіцієнт посилення залежить тільки від параметрів зовнішніх елементів схеми (резисторів R2 і R1 ) і легко за бажання може бути змінений.

При підключенні до інверсного входу ОП декількох джерел сигналів, наприклад Е1, Е2 і Е3 через резистори R1, R2 і отримуємо інвертуючий суматор.

Струм через резистор ЗЗ рівний сумі алгебри струмів вхідних ланцюгів

Схема генератора що лінійно змінює напругу (ГЛЗН), яка відрізняється від схеми інвертуючого підсилювача заміною резистора R2 ланцюга зворотного зв'язку на конденсатор С.

Постійна напруга Uвх і резистор R1 задають струм розряду конденсатора: I = Uвх/R1. Зміна напруги ∆Uс на конденсаторі і, відповідно, на виході схеми ∆Uвих за інтервал часу ∆t залежить від величини вхідного сигналу Uвх і параметрів зовнішніх елементів R1 і С: ∆U_с = ∆U_вих = (1/С) ∆t = (Uвх/ R₁*С) ∆t

Слід зазначити, що зміна Uвих можливо тільки до рівня  Uнас. Для повернення схеми в стан Uвих = 0V накоротко замикають конденсатор С.

При вхідному сигналі Uвх(t), що змінюється в часі, за час від t₀ до t₁ вихідна напруга Uвих

U_вих =  U_с = (1/R₁C)∫ Uвх(t)dt + U_{вых o} ,

_,де U_{вых о} початкова напруга при t = t_0.

Схема є по суті схемою інтеграла вхідного сигналу, а лінійне змінення на виході напруги виходить для окремого випадку постійності вхідного сигналу.

Задача № 1

Описати властивості, призначення і накреслити схему ОП включеного по схемі інтегратора або диференціатора. Визначити напругу на виході в заданий час і побудувати графіки зміни вхідної і вихідної напруги.

R = 100 кOм, C = 1 мкФ.

№ варіанта	Схема включення	Час інтегрування або диференціювання t ,mc	Напруга на вході U вх
1	інтегратор	3	4t
2	диференціатор	20	2t²+6
3	інтегратор	6	3t
4	диференціатор	30	8t²+2
5	інтегратор	2	6t
6	диференціатор	35	3t²+3
7	інтегратор	4	5t
8	диференціатор	40	3t²+9
9	інтегратор	6	7t
10	диференціатор	25	5t²+2
11	інтегратор	5	3t
12	диференціатор	10	6t²+7
13	інтегратор	8	9t
14	диференціатор	25	3t²+9
15	інтегратор	4	10t
16	диференціатор	35	2t²+8
17	інтегратор	5	11t
18	диференціатор	30	4t²+6
19	інтегратор	6	12t
20	диференціатор	45	4t²+2
21	інтегратор	7	13t
22	диференціатор	20	2t²+5
23	інтегратор	5	14t
24	диференціатор	20	7t²+6
25	інтегратор	5	2t
26	диференціатор	25	2t²+6
27	інтегратор	8	8t
28	диференціатор	30	3t²+9
29	інтегратор	2	7t
30	диференціатор	35	6t²+3

Задача № 2

Описати властивості і накреслити схему ОП що інвертує або ОП що не інвертує. Визначити коефіцієнт підсилення Ku і параметри схеми: R_зз (зворотнього зв'зку) і R (на інверсному вході).

№ варіанта	Схема включення	Напруга на вході U вх, mВ	Напруга на виході Uвих, В	Струм зворотного зв’язку Iзз, mA
1	ОП що інвертує	85	-20	2,5
2	ОП що не інвертує	150	1,2	0,03
3	ОП що інвертує	90	-36	0,5
4	ОП що не інвертує	180	1,6	0,09
5	ОП що інвертує	100	-45	0,8
6	ОП що не інвертує	105	2,1	0,05
7	ОП що інвертує	110	-27	1,2
8	ОП що не інвертує	125	2,8	0,02
9	ОП що інвертує	130	-60	09
10	ОП що не інвертує	90	1,5	0,08
11	ОП що інвертує	95	-80	1,5
12	ОП що не інвертує	160	2,3	0,07
13	ОП що інвертує	120	-32	2,2
14	ОП що не інвертує	90	-28	2,7
15	ОП що інвертує	120	2,5	0,02
16	ОП що не інвертує	80	-39	0,7
17	ОП що інвертує	170	1,5	0,03
18	ОП що не інвертує	30	-22	0,8
19	ОП що інвертує	120	2,9	0,04
20	ОП що не інвертує	105	-15	1,8
21	ОП що інвертує	115	3,7	0,06
22	ОП що не інвертує	95	-22	1,2
23	ОП що інвертує	100	2,5	0,07
24	ОП що не інвертує	85	-32	2,5
25	ОП що інвертує	150	4,5	0,05
26	ОП що не інвертує	75	-20	2,2
27	ОП що інвертує	130	1,2	0,04
28	ОП що не інвертує	70	-36	0,6
29	ОП що інвертує	110	1,6	0,1
30	ОП що не інвертує	95	-17	1,8

ЗАВДАННЯ № 2

«Мультивібратор на транзисторах»

Розгланути роботу і розрахувати схему мультивібратора на транзисторах

Теоретичні відомості

Мультивібратори ставляться до генераторів релаксационного типу, у яких форма генерируємих коливань різко відрізняється від синусоїдальної форми, а тривалість коливань залежить від реактивних елементів (частіше конденсаторів), що входять у схему. Мультивібратори широко застосовуються для одержання імпульсів напруги прямокутної форми й можуть бути використані в якості генераторів що задають (керуючих) різних пристроїв промислової електроніки.

Найбільше часто для побудови мультивібраторів застосовуються многокаскадні транзисторні ключі з позитивним зворотним зв'язком, замкнуті в кільце. У схемному відношенні мультивібратори відрізняються від тригерів наявністю часозадаючих (хрониуючих) елементів, які звичайно складаються з конденсатора й резистора.

Мультивібратори можуть працювати в одному із трьох режимів: автоколивальний, мультивібратор що чекає (загальмованому) і синхронізації (ділення частоти).

У автоколивальному режимі мультивібратор має два стани квазірівноваги, під час яких у схемі відбуваються відносно повільні зміни струмів і напруг. Квазрівноважні стани закінчуються лавиноподібними змінами струмів і напруг - стрибками в схемі. Таким чином, у цьому режимі мультивібратор без впливу зовнішніх сил по черзі переходить стрибком з одного стану квазірівноваги в інший, тобто є автогенератором. Параметри генеруємих імпульсів (амплітуда, тривалість, частота повторення й т.д.) визначаються тільки параметрами елементів схеми. До мультивібраторів в автоколивальному режимі пред'являється вимога високої стабільності частоти. Однак стабільність частоти мультивібраторів без застосування спеціальних мір стабілізації порівняно невисока. Відносна нестабільність частоти при впливі дестабілізуючих факторів (коливань температури, напруги живлення й т.п.) досягає декількох відсотків.

У мультивібратора, що чекає, один стан рівноваги є стійким (вихідний стан), інший - квазірівноважним. Перехід схеми у квазірівноважний стан здійснюється зовнішнім імпульсом, що запускає, а повернення у вихідний стан відбувається в результаті внутрішніх процесів. Під час цього циклу генерується один імпульс, параметри якого визначаються параметрами елементів схеми. При подачі на вхід послідовності імпульсів, що запускають, частота вихідних імпульсів дорівнює частоті вхідних. Мультивібратор що чекає, звичайно використається для формування імпульсів заданої тривалості й форми. Мультивібратор у режимі, що чекає, називають також одновібратором; замкненим, загальмованим, що чекає; однотактным релаксатором; кіп-реле й деякими іншими термінами. Надалі мультивібратор у режимі, що чекає, будемо називати одновібратором.

У режимі синхронізації на автоколивальний мультивібратор подається зовнішня синхронізуюча напруга (синусоїдальна або імпульсна). У результаті цього частота повторення імпульсів на виході мультивібратора стає кратній частоті синхронізуючої напруги.

Тому що в автоколивальному мультивібраторі (рис. 2.1) на бази транзисторів VТ1, VТ2 через резистори R_б1, R_б2 задається негативна напруга зсуву, то його іноді називають мультивібратором з негативною базою. Цей мультивібратор являє собою двухкаскадный ключ із ЗЕ з ємнісним зв'язком між каскадами й виходом, замкнутим на вхід. Конденсатори С_б1 і С_б2 виконують роль елементів зв'язку (на відміну від резисторів у тригері) і входять у часозадаючі кола. Іншим елементом часозадаючих кіл є резистори R_б1 і R_б2. Вихідні імпульси знімаються з колекторів транзисторів VТ1 і VТ2.

а б

Рисунок 2.1. Мультивібратор з колекторно-базовими зв'язками: а - принципова схема; б - тимчасова діаграма розряду конденсатора

Мультивібратор володіє двома станами квазірівноваги: в одному стані транзистор VТ1 замкнений, VТ2 насичений; в іншому - навпаки. При виконанні умов самозбудження виникають перегони, стани транзисторівпо черзі змінюються, після чого відбувається перезаряд одного й заряд іншого часозадаючих конденсаторів.

В мультивібраторі з негативною базою напруга бази замкненого транзистора при перезаряді конденсатора зменшується по експоненті, що прагне до рівня Е_К. Крутість експоненти поблизу порога відмикання (у момент стрибка) досить велика, що поліпшує стабільність частоти вихідних імпульсів (рис 2.1. б). Тому що мультивібратор працює в автоколивальному режимі, то опис процесів можна почати з будь-якого моменту, наприклад, коли після чергового перекидання VТ1 виявився насиченим, а VТ2 – закритим.

Насичений транзистор VТ1 у цей момент можна представити эквіпотенціальною крапкою, тому U_кэ1  0 і U_бэ1  0. Напруга на конденсаторі С_б2, зарядженому в попередньому циклі, з полярністю, показаної на схемі, прикладено між базою й эмиттером транзистора VТ2 і втримує останній у замкненому стані. У замкненого транзистора VТ2 напруга на колекторі , а напруга на базі у первісний момент близько до +Е_к, а потім починає зменшуватися за експонентним законом внаслідок перезаряду конденсатора С_б2. Перезаряд конденсатора протікає по ланцюзі:

корпус  VТ1_кэ  С_б2 R_экв  (-Е_к).

У цей же час заряджається конденсатор С_б1 по ланцюзі :

корпус  VТ1_ЭБ  С_Б1  R_К2  (-Е_К) з полярністю, показаної на схемі. Звичайно елементи схеми вибираються так, щоб процес заряду конденсатора С_б1 протікав швидше, ніж перезаряд С_б2. Після закінчення заряду С_б1 транзистор VТ1 утримується в насиченні за рахунок протікання базового струму I_б1= Е_к/R_б1, достатнього для насичення.

У міру перезаряду конденсатора С_б2 напруга на ньому зменшується й у деякий момент стає рівним нулю. Починаючи із цього моменту, розвивається лавиноподібний процес перекидання схеми.

Транзистор VТ2 починає відкриватися й напруга на його колекторі U_кэ2 зростає. Виниклий позитивний приріст U_кэ2 через конденсатор С_б1 передається на базу транзистора VТ1, викликаючи його запирання. Це приводить до зменшення U_кэ1 і виникненню на колекторі VТ1 негативного приросту напруги U_кэ1, що через С_б2 попадає на базу VТ2, сприяючи його відмиканню й т.д. У результаті VТ2 насичується, VТ1 закриається, а конденсатор С_б2 заряджається по ланцюзі корпус  VТ2_бэ  С_б2 R_к1 (Е_к). Одночасно із зарядом конденсатора С_б2 відбувається більш повільний процес перезаряду конденсатора С_б1. Далі процес протікає аналогічно розглянутому вище.

Зміна в часі колекторних і базових напруг ілюструється тимчасовими діаграмами, представленими на рис. 2.2., на яких під тривалістю імпульсу t_и розуміється час відкритого стану одного або іншого транзистора. Тоді тривалість імпульсу на колекторі транзистора VТ2 дорівнює t_и2 і визначається часом перезаряду конденсатора С_б1 через відкритий транзистор VТ2 і опір

,

де відповідно до еквівалентної схеми

Рисунок 2.2. Часові діаграми напруг

У зв'язку з тим, що опір колектора замкненого транзистора r_к1 лежить звичайно в межах , опором резистора R_к1 можна зневажити. Крім того, для підвищення температурної стабільності вибирають . З урахуванням зроблених допущень t_и2 можна представити у вигляді