Микроэлектроника_МУ по изуч.дисц. Методические указания по изучению дисцип лины. Томск Факультет дистанционного обучения, тусур, 2012. 86 с. Представлены рекомендации по самостоятельному изучению теоре тического материала, выполнению контрольных и лабораторных работ
 Скачать 1.22 Mb.
|
|
3.2 Лабораторная работа № 2. Усилители и преобразователи сигналов на операционных усилителях Цель лабораторной работы — экспериментальное исследо- вание аналоговых микроэлектронных устройств, выполненных на операционных усилителях. Задание. 1. Спроектировать инвертирующий усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления 12 = U k . Выполнить эксперимен- тальную проверку функционирования. 2. Спроектировать неинвертирующий усилитель постоянно- го тока с коэффициентом усиления 11 = U k . Выполнить экспери- ментальную проверку функционирования. 3. Определить параметры частотной характеристики актив- ного полосового RC-фильтра. Сравнить результаты эксперимен- тальных исследований с расчетными параметрами. Проектирование инвертирующего усилителя постоянного тока на операционном усилителе с заданным коэффициентом усиления. Инвертирующий усилитель постоянного тока можно реали- зовать на основе инвертирующего включения операционного усилителя (рис. 3.11), используя в качестве элементов с опера- торными сопротивлениями 1 Z и 2 Z резисторы 1 R и 2 R соответст- венно. Тогда коэффициент усиления усилителя определяется вы- ражением 1 2 R R k U − = вых U 1 Z 2 Z вх U Рис. 3.11 — Инвертирующий усилитель постоянного тока на основе инвертирующего включения операционного усилителя 65 Резисторы, используемые в схемах с операционными усили- телями, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использо- вание резисторов с сопротивлениями менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий вы- ход операционного усилителя. Резисторы с сопротивлениями бо- лее 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения. Зададим сопротивление 10 1 = R кОм. Тогда 120 10 12 1 2 = ⋅ = = R k R U (кОм). С целью проверки функционирования подадим на вход уси- лителя сигнал синусоидальной формы. Для обеспечения работы операционного усилителя в линейном режиме амплитуда сину- соидального напряжения должна быть ограничена величиной U k U U нас вх.max = , где нас U — напряжение насыщения операционного усилителя. Модель идеального операционного усилителя в сис- теме ASIMEC имеет значение параметра 15 нас = U В, поэтому 25 1 12 15 вх.max , = = U В. Зададим величину амплитуды входного сиг- нала 0 1 вх , , = m U В. Для контроля выходного напряжения подклю- чим осциллограф к выходу усилителя. Виртуальный макет инвертирующего усилителя постоянно- го тока представлен на рис. 3.12. Рис. 3.12 — Виртуальный макет инвертирующего усилителя постоянного тока 66 Экспериментальная проверка функционирования усилителя. Для выполнения моделирования в инспекторе объектов устано- вим следующие параметры (рис. 3.13). Рис. 3.13 — Параметры моделирования инвертирующего усилителя постоянного тока Осциллограммы входного и выходного напряжений инвер- тирующего усилителя представлены на рис. 3.14. Рис. 3.14 — Осциллограммы входного и выходного напряжений инвертирующего усилителя постоянного тока 67 Временные диаграммы показывают: усилитель инвертирует входное напряжение; амплитуда входного напряжения 0 1 вх , , = m U В, амплитуда выходного напряжения 0 12 вых , , = m U В, то есть 12 1 12 = = U k Проектирование неинвертирующего усилителя постоянно- го тока на операционном усилителе с заданным коэффициентом усиления. Неинвертирующий усилитель постоянного тока можно реа- лизовать на основе неинвертирующего включения операционного усилителя (рис. 3.15), используя в качестве элементов с опера- торными сопротивлениями 1 Z и 2 Z резисторы 1 R и 2 R соответст- венно. Тогда коэффициент усиления усилителя определяется вы- ражением 1 2 1 R R k U + = вых U 1 Z 2 Z вх U Рис. 3.15 — Неинвертирующий усилитель постоянного тока на основе неинвертирующего включения операционного усилителя Зададим сопротивление 10 1 = R кОм. Тогда 100 10 1) - (11 ) 1 ( 1 2 = ⋅ = − = R k R U (кОм). С целью проверки функционирования подадим на вход уси- лителя сигнал синусоидальной формы. Для обеспечения работы операционного усилителя в линейном режиме амплитуду входно- го сигнала установим равной величине 0 1 вх , , = m U В. Для контро- ля выходного напряжения подключим осциллограф к выходу усилителя. Виртуальный макет неинвертирующего усилителя постоян- ного тока представлен на рис. 3.16. 68 Рис. 3.16 — Виртуальный макет неинвертирующего усилителя постоянного тока Экспериментальная проверка функционирования усилителя. Для выполнения моделирования в инспекторе объектов устано- вим следующие параметры (рис. 3.17). Рис. 3.17 — Параметры моделирования неинвертирующего усилителя постоянного тока 69 Осциллограммы входного и выходного напряжений неин- вертирующего усилителя представлены на рис. 3.18. Рис. 3.18 — Осциллограммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя постоянного тока Временные диаграммы показывают: усилитель не инверти- рует входное напряжение; амплитуда входного напряжения 0 1 вх , , = m U В, амплитуда выходного напряжения 0 11 вых , , = m U В, то есть 11 1 11 = = U k Исследование активного полосового RC-фильтра Активный полосовой фильтр можно реализовать на основе операционного усилителя по схеме, представленной на рис. 3.19. 70 DA 2 R вх U вых U 1 R 3 R 1 С 2 С Рис. 3.19 — Активный полосовой фильтр на основе операционного усилителя Основными параметрами фильтра являются параметры ам- плитудно-частотной характеристики ( ) ω U A коэффициента пере- дачи по напряжению: резонансная частота, значение коэффици- ента усиления на резонансной частоте, верхняя и нижняя частоты полосы пропускания, добротность. Амплитудно-частотная характеристика выражается через операторное изображение ( ) p k U коэффициента передачи по на- пряжению: ( ) ( ) ω = = ω j p U U p k A Для определения операторного изображения ( ) p k U сформи- руем операторную схему замещения фильтра (рис. 3.20), в кото- рой пассивные компоненты представлены операторными прово- димостями: 1 1 1 R Y = , 2 2 1 R Y = , 3 3 1 R Y = , 1 4 pC Y = , 2 5 pC Y = 71 DA вых U 3 Y 4 Y 5 Y 2 Y вх U 1 Y 1 U 0 2 = U 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 1 2 Рис . 3.20 — Операторная схема замещения активного полосового фильтра В предположении, что операционный усилитель является идеальным, операторной схеме замещения соответствует система уравнений, составленная методом узловых потенциалов: ( ) ( ) ⎭ ⎬ ⎫ = − + + − = − − − + + + , , 0 0 3 2 5 4 1 4 1 5 2 4 1 5 4 2 1 вых вх вых U Y U Y Y U Y U Y U Y U Y U Y Y Y Y причем 0 2 = U . Тогда система уравнений приобретает вид: ( ) ⎭ ⎬ ⎫ = − − = − − + + + . ; 0 0 3 1 4 1 5 1 5 4 2 1 вых вх вых U Y U Y U Y U Y U Y Y Y Y Из системы уравнений следует: ( ) вх вых U Y Y Y Y Y Y Y Y Y U 5 4 5 4 2 1 3 4 1 + + + + − = , откуда операторное изображение коэффициента передачи напря- жения: ( ) ( ) 5 4 5 4 2 1 3 4 1 Y Y Y Y Y Y Y Y Y U U p k вх вых U + + + + − = = Используя выражения для операторных проводимостей пас- сивных компонентов, найдем: ( ) ( ) ( ) . 2 1 2 1 2 1 2 3 2 1 2 1 3 2 1 R R p R R C C p R R R C C p R R C p k U + + + + − = Приведем операторное изображение коэффициента переда- чи напряжения к канонической форме 72 ( ) 1 0 2 0 2 + ω + ω = Q p p p k p k U , где Q — добротность, а 0 ω — резонансная круговая частота по- лосового фильтра: ( ) . ) ( 1 2 1 2 1 2 1 2 3 2 1 2 1 2 1 2 1 3 2 1 + + + + + ⋅ + − = p R R R R C C p R R R R R C C p R R R R C p k U Из последнего выражения следует, что резонансная круго- вая частота, добротность и коэффициент усиления на резонанс- ной частоте выражаются соотношениями: ( ) 3 2 1 2 1 0 1 R R R С С = ω , ( ) ( ) 2 1 2 2 1 3 2 1 R R C C R C C Q + = , ( ) 2 1 1 1 3 0 0 C C C R R Q k A U + ⋅ = ω = ω , где 2 1 2 1 2 1 R R R R R R + = Зададим значения параметров пассивных компонентов: 10 1 = R кОм, 10 2 = R кОм, 100 3 = R кОм, 100 1 = C нФ, 100 2 = C нФ. Расчетные параметры амплитудно-частотной характеристи- ки коэффициента передачи напряжения составляют: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ω − − с рад 21 447 10 100 10 5 10 100 10 100 1 3 3 9 9 0 , , ( ) 24 2 10 5 10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 3 2 9 9 3 9 9 , = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = − − − − Q , ( ) 5 10 100 10 100 10 100 10 10 10 100 9 9 9 3 3 0 = ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ω − − − U A Виртуальный макет полосового фильтра представлен на рис. 3.21. 73 Рис. 3.21 — Виртуальный макет активного полосового фильтра Экспериментальное определение параметров амплитудно- частотной характеристики полосового фильтра. Для выполне- ния моделирования в инспекторе объектов установим следующие параметры (рис. 3.22). Рис. 3.22 — Параметры моделирования активного полосового фильтра Частотные характеристики коэффициента передачи напря- жения полосового фильтра представлены на рис. 3.23. 74 Рис. 3.23 — Частотные характеристики активного полосового фильтра Участок амплитудно-частотной характеристики в окрестно- сти резонансной частоты представлен на рис. 3.24. Рис. 3.24 — Участок амплитудно-частотной характеристики в окрестности резонансной частоты Из амплитудно-частотной характеристики следует, что кру- говая резонансная частота равна ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⋅ = π = ω с рад 4 443 6 70 28 6 2 0 0 , , , f , а коэффициент усиления на резонансной частоте ( ) ( ) [ ] 98 4 10 10 20 95 13 20 дБ 0 0 , , = = = ω ω U A U A 75 На верхней и нижней частотах полосы пропускания коэф- фициент передачи по напряжению уменьшается на 3 дБ по срав- нению с коэффициентом усиления на резонансной частоте. Ис- пользуя маркеры, определим экспериментальные значения соот- ветствующих частот: 6 57, ≈ н f Гц, 5 88, ≈ в f Гц . Экспериментальное значение добротности составляет: 28 2 6 57 5 88 6 70 0 , , , , = − = − = н в f f f Q Таким образом, расхождения расчетных и эксперименталь- ных значений параметров частотной характеристики полосового фильтра не превышает 2 %. 76 ЛИТЕРАТУРА 1. Алексенко А. Г. Основы микросхемотехники / А. Г. Алек- сенко. — М. : ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2009. — 448 с. — ISBN 978- 5-94774-002-8. 2. Гатчин Ю. А. Введение в микроэлектронику : учеб. по- собие / Ю. А. Гатчин [и др.]. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. — 114 с. 3. Ефимов И. Е. Основы микроэлектроники : учеб. пособие для вузов / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь. — М.: Лань, 2008. — 384 с. 4. Игнатов А. Н. Микросхемотехника и наноэлектроника : учеб. пособие / А. Н. Игнатов. — СПб. : Лань, 2011. — 528 с. — ISBN 978-5-8114-1161-0. 5. Легостаев Н. С. Твердотельная электроника : учеб. посо- бие / Н. С. Легостаев, П. Е. Троян, К. В.Четвергов. — Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. — 476 с. — ISBN 978-5-86889-422-0. 6. Легостаев Н. С. Микроэлектроника : учеб. пособие / Н. С. Легостаев, К. В.Четвергов. — Томск: Факультет дистанци- онного обучения, ТУСУР, 2012. — 236 с. 77 ПРИЛОЖЕНИЕ А Варианты заданий для текстовой контрольной работы 1. Спроектировать комбинационную схему, реализующую булеву функцию D C AB D C B BCD A D BC ABC f + + + + = с исполь- зованием мультиплексора. 2. Спроектировать устройство, зажигающее светодиод, если не менее пяти из семи входных двоичных сигналов принимают единичное значение. 3. Спроектировать комбинационную схему, реализующую булеву функцию ( ) D C B D C A AB f + + + = с использованием муль- типлексора. 4. Спроектировать устройство, зажигающее светодиод, если три из шести входных двоичных сигналов принимают единичное значение. 5. Спроектировать устройство, зажигающее светодиод, если четыре из шести входных двоичных сигналов принимают нуле- вое значение. 6. Спроектировать комбинационную схему, реализующую булеву функцию ( ) CD B D C A B A f + + + = с использованием муль- типлексора. 7. Спроектировать комбинационную схему, реализующую булеву функцию CD B A D A ABC f + + = с использованием дешиф- ратора. 8. Спроектировать устройство, обеспечивающее отображе- ние на цифро-буквенных индикаторах числа единичных разрядов входного 12-разрядного кода. 9. Спроектировать полный одноразрядный сумматор на мультиплексоре серии К555. 10. Спроектировать комбинационную схему, реализующую булеву функцию ACD D C AB C AB f + + + = с использованием де- шифратора. 11. Спроектировать комбинационную схему, реализующую булеву функцию D A BC A f + + = с использованием мультиплексо- ра. |