Методическое пособие 237

зы, а - коэффициент передачи по току, либо в режиме насыщения (на крутом участке выходной ВАХ).

Например, Uп+бэ3 – напряжение на база-эмиттерном p – n – переходе транзистора Т3, величина которого превышает пороговое значение.

Пусть ЛЭ имеет М входов, из них на m входов (1 m M) подано низкое напряжение U0вх, а на остальные входы — высокое напряжение. Тогда m эмиттеров входного транзистора Тм находятся в открытом состоянии и напряжение на его базе (Uбм) равно

где Uп+бэм – падение напряжения на база – эмиттерном p-n- пе-

Здесь Uкэм – напряжение между коллектором и эмиттером МЭТ. Транзистор Т1 остается закрытым, пока напряжение на его

базе (Uб1) не достигнет напряжения отпирания

Uб1 = Uп+бэ1 + Uп+бэ2,

где Uп+бэ1 и Uп+бэ2 – напряжения, соответствующие переходу транзисторов Т1 и Т2 из режима отсечки в активный режим.

Это случится, когда напряжение Uвх возрастет до значе-

соответствующего промежуточному порогу включения схемы - U0п пр.

При Uвх < U0п пр транзистор Т1 закрыт, поэтому напряжение Uб2 равно нулю, и транзистор Т2 также закрыт. Напряжение на базе транзистора Т3 близко к напряжению источника питания Е, поэтомутранзистор Т3 и диод Д открыты. На коллекторе транзистора Т1 (базе Т3) и на выходе схемы устанавливаются высокие напряжения (участок 1 передаточной характеристики на рис. 2,а)

Тогда на выходе имеем напряжение, соответствующее ло-

гической единице U1вых.

Uвых = U1вых = U1к1 – U0бэ3 – U0Д E – U0бэ3 – U0Д , (7)

где приближенные выражения соответствуют типичному случаю, когда ток нагрузки IН, не слишком велик: I1Н = Iб3( 3+1)<<(Uэо/ 3R1). (Здесь Iб3 – ток, втекающий в базу транзистора Т3, имеющего коэффициент передачи по току 3.)

При увеличении входного напряжения значения Uбм и Uб1 возрастают (рис. 2,б) в соответствии с выражениями (3) и (4) и при Uвх = U0п пр транзистор Т1 открывается. Эмиттерный ток Т1 создает падение напряжения на резисторе R2, и напряжение Uб2 повышается (рис. 2,б). Коллекторный ток Т1 создает дополнительное падение напряжения на резисторе R1, поэтому значения Uк1 (рис. 2,б) и Uвых (участок II на рис. 2,а) уменьшаются с

транзистор Т2 отпирается. При этом эмиттерный ток транзистора Т1 равен IЭ1 Uпбэ2/R2, т. е. в соответствии с (8) значения Uк1 и Uвых уменьшились на величину

При дальнейшем возрастании напряжения Uвх базовые и коллекторные токи транзисторов Т1 и Т2 увеличиваются и напряжения Uк1 (рис. 2, б), Uвых (участок III на рис. 2,а) резко падают.

транзисторы Т1 и Т2 входят в насыщение и на выходе схемы устанавливается низкое напряжение (участок IV на рис. 2,а).

На коллекторе Т1 устанавливается напряжение (рис. 2, б)

где Rк1 сопротивление области коллектора и контакта к коллектору транзистора Т1. Величина напряжения Uк1 недоста-

Диод включается в выходную цепь для того, чтобы обеспечить запирание транзистора Т3 при низком напряжении U0вых на выходе.

Для насыщения транзисторов Т1 и Т2 необходимо, чтобы коэффициент насыщения (S = Iб/Iк) из транзисторов удовлетворял

При входном потенциале Uвх Uпбэ2 + Uпбэ3 + U1кэм) эмиттерные переходы транзистора Тм запираются и он перехо-

дит в активный инверсный режим. (Инверсным называют ре-

жим при котором потенциал коллектора превышает потенциал эмиттера, при этом эмиттер и коллектор «обмениваются» своими функциями). Дальнейшее увеличение Uвх приводит к возрастанию запирающих напряжений на соответствующих эмиттерных переходах МЭТ и не вызывает существенных изменений токов или напряжений в схеме (рис. 2а и 2б) до наступления пробоя эмиттерных переходов.

Промежуточный сравнительно пологий участок II на передаточной характеристике (рис. 2а) является особенностью схем ТТЛ со сложным инвертором.

Всего на передаточной характеристике выделяют пять характерных точек, с помощью которых можно построить кусоч- но-линейную аппроксимацию зависимости Uвых = f(Uвх), содер-

21

жащую 4 участка: (U0вых, U0п пр), (U0п пр, U0п), (U0п, U1п) и (U1п, U1), показанные на рис. 2 а.

Типовая входная характеристика Iвх=Iэм = f(Uвх) схемы показана на рис. 4.

Рис. 4. Зависимости входного (Iвх) коллекторного (Iкм) и базового тока (Iбм) МЭТ от входного потенциала Uвх, подводимого к входу m. Остальные М- m входов подключены к источнику питания Е. Кривая Iвх(М- m) соответствует току на одном из М- m

входов

Там же приведены зависимости базового Iбм и коллекторного Iкм токов транзистора Тм от Uвх. Ток, вытекающий из каждого входа, на который подано низкое напряжение, при котором выполняется условие Uвх < U0п пр, равен

где rб – сопротивление области базы МЭТ и контакта к ней. В слу-

чае, если напряжение низкого уровня подано сразу на m входов ЛЭ, формула (18) переписывается следующим образом:

22

где I инверсный коэффициент передачи по току МЭТ. Выражение (19) соответствует случаю, когда Uвх m пре-

вышает U0п соответствующие эмиттерные переходы начинают закрываться и входные токи Iвх резко уменьшаются (рис. 4). При Uвх >U1п все база-эмиттерные переходы транзистора Тм закрыты и ток каждого из М входов равен:

I1вх(M) = IIбм = I(E – U0бэ1-U0бэ2 – U0бкм)/Rб + rб) (20)

Типовые значения входного тока I0вх составляют сотни микроампер для маломощных микросхем и единицы миллиампер для быстродействующих микросхем.

При Uвх U0п величина Iкм значительно меньше, чем Iбм (рис. 4). Поэтому уменьшение тока Iвх м вследствие появления тока Iкм невелико, и можно считать, что входная характеристика схемы определяется выражением (18) при Uвх U0п.

Для уменьшения входных токов высокого уровня, величи-

ну I делают малой ( I<0,05). При этом существенную часть входного тока, особенно при максимальной рабочей температуре и повышенных значениях входных напряжений могут составлять токи утечки. В этом случае входные токи I1вх являются суммой тока через эмиттерный переход Тм, определяемого выражением (20) и тока утечки I1вх ут. Типовые значения токов I1вх, составляют единицы микроампер для маломощных микросхем и десятки микроампер для быстродействующих. При повышении темпе-

ратуры токи I1вх, несколько увеличиваются вследствие возрастания коэффициента I.

2.Порядок выполнения работы

2.1Ознакомится с инструкцией по эксплуатации измерительных приборов.

2.2.Лабораторное задание N1

2.2.1.Собрать схему, как показано на рис. 5, подключив вольтметр V2 к выходу логического элемента DD2 (клемма «3»).

2.2.2.Установить выходное напряжение источника пита-

ния Uпит=5 В. При выключенном источнике подключить макетную плату к его клеммам, соблюдая полярность.

2.2.3. Определить таблицу истинности логического элемента DD2 (2И-НЕ). Для этого задавать на входах X1, X2 логические комбинации и измерять напряжение на выходе Y (клемма «3» на макете). В качестве логического «0» использовать напряжение равное 0 (вход X соединяется с общим проводом). В качестве логической «1» использовать напряжение равное 5 В (вход X соединяется с клеммой Uпит). Результаты занести в таблицу.

Таблица 1 Таблица истинности логического элемента 2И-НЕ

Рис. 5. Схема лабораторного макета для исследования МС типа К155ЛА3, содержащей 4 независимых ЛЭ 2И-НЕ. (Принципиальная электрическая схема каждого ЛЭ соответ-

ствует рис. 3)

2.3. Лабораторное задание N2

2.3.1. Подключить вольтметр V2 к выходу логического элемента DD1 (клемма «10») и, изменяя с помощью резисторов R1 и R2 напряжение на входе «2» элемента DD1 в пределах Uвхm = 0 5 В с шагом 0,05 В, получить зависимости следующих величин от входного напряжения Uвх:

(1)выходного напряжения Uвых,

(2)тока потребления Iп

(3)входного тока Iвх.

Результаты измерений занести в таблицу. 25

2.3.2. Построить графики зависимостей:

(1). Uвых = f(Uвх);

(2). Iп = f(Uвх);

(3). Iвх = f(Uвх);

Таблица 2 Зависимости токов и напряжений на электродах ЛЭ элемента в зависимости от напряжения Uвх

2.3.3. Из передаточной характеристики {Uвых = f(Uвх, U5= 5В)} определить величины:

-напряжение логического «0» и «1» (U0 и U1);

Uвых0 пор ) пороговых напряжений.

2.3.4.Убедиться, что ток низкого уровня зависит от количества заземленных входов m в соответствии с выражением (18).

2.3.5.Определить сопротивление R = Rб + rб по формуле

R = Rб + rб = (Uвх1- Uвх2)/(Iвх2 – Iвх1).

Для расчета следует воспользоваться данными, взятыми с начального линейного участка входной ВАХ, построенной для случая m = 1.

2.3.6. Найти величину падения напряжения на прямосмещенном база-эмиттерном p-n- переходе МЭТ (U0бэм):

U0бэм = E – Iвх(Uвх=0, m=1)/(Rб + rб).

26

2.3.7. Определить инверсный коэффициент передачи многоэмиттерного транзистора I. Для этого, воспользовавшись формулой:

I = I1вх (Rб+rб)/(E – Uбэ1-Uбэ2 – U0бкм)

I1вх (Rб+rб)/(E – 3 U0бэм)

3.Контрольные вопросы

3.1.Назовите основные параметры логических эле-

ментов.

3.2.Нарисуйте схему базового элемента ТТЛ и поясните ее работу.

3.3.Поясните конструкцию и принцип действия биполярного транзистора.

3.4.Изобразите конструкцию и особенности функционирования многоэмиттерного транзистора.

3.5.Что такое коэффициент передачи транзистора

по току?

3.6.Что такое инверсный коэффициент передачи?

3.7.Преимущества схемы ТТЛ со сложным инвертором по сравнению с другими ЛЭ на биполярных транзисторах.

3.8.Нарисуйте схему для получения передаточной характеристики и объясните ее.

3.9.Объясните полученные экспериментально зави-

симости.

3.10.Какие параметры элементов схемы можно определить из анализа статических характеристик элемента ТТЛ?

Библиографический список

1.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев – М.: Высшая школа, 2005.

2.Шагурин И.И. Транзисторно – транзисторные логические схемы / И.И. Шагурин– М.: Советское радио. 1974. 158 с.

27

Лабораторная работа № 3 Изучение работы операционного усилителя

Целью работы является получение практических навыков использования операционного усилителя, изучение его технических характеристик.

Приборы и оборудование: генератор сигналов типа Г626; осциллограф универсальный типа С1-68; лабораторный стенд.

1. Основные сведения о ОУ

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для работы с глубокой отрицательной обратной связью (ООС).

Современные ОУ выпускаются в виде интегральных микросхем и используются в радиоэлектронных устройствах различного назначения [1].

На схемах радиоаппаратуры, согласно ГОСТ 2.759-82, ОУ обозначается прямоугольником (рис. 1а). В литературе иногда встречается старое обозначение (рис. 1б)

На рис. 1а дополнительные поля с правой стороны прямоугольника служат для указания назначений дополнительных выводов, например, выводов питания, коррекции, корпуса микросхемы и др.

Для питания ОУ используются, как правило, два источника питания разной полярности.

Для полного описания свойств операционного усилителя необходимо знать десятки его параметров. Сведения о некоторых основных параметрах можно получить из [1].

Структурная схема интегрального ОУ состоит обычно из входного, промежуточного и оконечного каскадов.

28

Рис. 1. Условное обозначение ОУ: (а) - новое, (б) - старое. 1 - инвертирующй вход (вход, сигнал с которого предается на выход ОУ с инверсией фазы); 2 - неинвертирующий вход;

3 - выход; 4, 5 и т.д. - дополнительные выводы

Передаточная характеристика ОУ изображена на рис. 2.

Рис. 2. Передаточная характеристика операционного усилителя

( Uвых.m) ограничена напряжением питания ( Еп). Операционные усилители почти всегда применяются с

глубокой внешней отрицательной обратной связью. Это связано с тем, что из-за большого коэффициента усиления ОУ даже ма-

29

лое постоянное дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за асимметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать сдвиг постоянного выходного напряжения от нуля до предельного значения. Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения (см. рис. 2) и потеряет способность усиливать. Кроме того, коэффициент усиления зависит от температуры и напряжения питания. Введение отрицательной обратной связи позволяет обеспечить нуль выходного напряжения и стабильность коэффициента усиления.

Для обеспечения устойчивости ОУ, охваченного отрицательной обратной связью применяются элементы частотной коррекции. Обычно это набор RC-цепочек, подключаемых к специально выделенным точкам схемы.

Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ОУ при наличии элементов частотной коррекции показаны на рис. 3. Заметим, что АЧХ ОУ как усилителя постоянного тока практически равномерна от частоты f = 0 до некоторой частоты среза, где начинается высокочастотный спад из-за ответвления выходного тока в параллельные паразитные емко-

сти [1].

Фаза выходного сигнала при прохождении через ОУ сдвигается относительно фазы входного, так как сигнал задерживается на активных и пассивных элементах усилителя. Фазочастотная характеристика описывается тангенсоидой [1].

Следует обратить внимание на то, что максимально возможное запаздывание сигнала по фазе для трехкаскадного усилителя может быть значительным и достигать -2700.

Однако уже при запаздывании на 1800 суммарный фазовый сдвиг по петле отрицательной обратной связи (ООС) может оказаться положительным (т.к. к внутреннему сдвигу прибавится внешний сдвиг фаз по цепи ООС между инвертирующим входом и выходом равный -1800) и схема самовозбудится. Реально же ОУ, работающий с замкнутой петлей ООС, обычно имеет

30

максимально возможный запас по фазе до самовозбуждения на высоких частотах равный 900, что обеспечивается введением цепей коррекции. Это особенно важно, когда нагрузка схемы может изменяться в процессе работы или имеет емкостной характер.

Рис. 3. Характеристики ОУ: а) амплитудно-частотная (кривые 1,2,3, соответствуют различным номиналам элементов

коррекции); б) фазочастотная

Схема инвертирующего включения показана на рис. 4. Входной сигнал в схеме подается на инвертирующий вход, сигнал ОС тоже на инвертирующий вход (рис. 4).

Упрощенный анализ схемы, выполненный на основе предположения о том, что ОУ близок к идеальному (т.е. коэффициент усиления дифференциального напряжения Кд ,

31

Рис. 4. Инвертирующий усилитель

входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх.д, выходное сопротивление Rвых 0) позволяет получить приближенную формулу для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

ной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение ОС - на инвертирующий (рис. 5)

2.4. Четвертое домашнее задание Изучить принципиальную электрическую схему исследу-

емого усилителя и порядок подключения приборов.

В настоящей работе предлагается изучить работу схемы на ОУ К553 УД1, показанную на рис. 2. (II)

Переключатель П1 позволяет осуществить два способа включения ОУ: неинвертирующее (П1 ) и инвертирующее (П1); тумблер П2 подключает к входу осциллографа генератор (переключатель П3 ), либо выход ОУ (П3 ); переключатель П2 изменяет глубину ОС. При положении тумблера (П2 ) ООС реализуется через резистор R5, при положении (П2 ) - через

32

резистор R6. Напряжение на вход схемы поступает через дели-

тель R1, R2 (R1 = 1 кОм; R2 = R2* = 110 Ом; R3= R4 = 1,0 кОм; R5= 2,2 кОм; R6 = 68 кОм). Питание ОУ осуществляется от источника

12 В. Элементы коррекции на схеме не показаны.

Рис. 5. Неинвертирующий усилитель Для коэффициента усиления упрощенный анализ дает:

2.Лабораторные задания

2.1.Первое лабораторное задание

2.1.1.Подготовиться к проведению эксперимента.

2.1.2.Собрать схему измерительной установки в соответствии с рис. 6.

2.1.3.Показать собранную цепь преподавателю и получить разрешение на включение электроприборов.

2.1.4.Подготовить стандартные приборы к работе в соответствии с инструкциями по их эксплуатации.

2.1.5.Включить стандартные электроприборы в сеть и дать им прогреться в течение 15 - 20 мин.

2.1.6.Подключить питание к лабораторному стенду.

33

Рис. 6. Схема лабораторной установки. I - генератор сигналов; II - лабораторный макет; III - осциллограф

2.2. Второе лабораторное задание. Определить коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей для двух значений глубины ООС.

2.2.1. Рассчитать значения коэффициентов усиления (Красч.) для случаев инвертирующего и неинвертирующего включений ОУ по формулам (2.1) и (2.2), соответственно, при двух заданных значениях глубины ОС:

a) Rос = R5 = 2,2 кОм; R R3 R4 = 1 кОм б) Rос = R6 = 68 кОм; R R3 R4 = 1 кОм Результаты записать в таблицу 1.

2.2.2. С помощью переключателя П2 подключить генератор к входу “У” осциллографа (П2 ) (рис. 6). Установить на входе генератора напряжение частотой 1 кГц и амплитудой

Uвх = 1В.

2.2.3.Подключить осциллограф к выходу ОУ (переключатель П2 ).

2.2.4.Произвести измерение амплитуды сигнала на выходе ОУ Uвых для инвертирующего (П1 ) и неинвертирующего

34

(П1 ) включений ОУ при двух положениях переключателя П3 (П3 - включение в цепь R5, П3 - включение R6).

2.2.5. Используя полученные значения Uвых определить модули коэффициентов усиления как

К = (Uвых/Uвх) А ,

где А - коэффициент деления входного напряжения (для данной схемы А = 10). Результаты занести в табл. 1.

2.2.6. Сравнить экспериментально полученные и рассчитанные в п. 1 значения К . Объяснить причины расхождений, если таковые имеются.

2.3. Третье лабораторное задание. Изучить передаточную характеристику ОУ.

2.3.1. Переключатель развертки осциллографа перевести в положение “Х”, переключатель “Чувствительность” в положение “1 В/см”. Переключатель П2 - на макете - в положение “ “, соответствующее прямой подаче сигнала с генератора на входы “Х” и “Y” осциллографа. Установить частоту сигнала генератора 50 Гц, а амплитуду сигнала 2,5 В. Определить чувствительность канала “Х” (т.е., скольким вольтам соответствует 1 см по горизонтальной оси).

2.3.2. Установить переключатель “Чувствительность” осциллографа в положение “5 В/cм”, переключатели П2 и П3 на макете - П2 , П3 .

35

2.3.3.Зарисовать наблюдаемую на макете осциллограмму (Uвых(Uвх)) для случаев инвертирующего (П1 ) и неинвертирующего (П1 ) включений ОУ.

2.3.4.Измерить Uвыхm - амплитуду максимального выходного напряжения (см. рис. 2а).

2.3.5.В соответствии с п. 5 задания 2 определить модули коэффициентов усиления для инвертирующего и неинвертирующего включений, измерив Uвых и Uвх для любой точки на ли-

нейном участке характеристики. Сравнить К со значениями, которые были получены в п. 5 задания 2.

2.4. Четвертое лабораторное задание. Изучить амплитуд- но-частотную и фазочастотную характеристики ОУ

2.4.1.Установить переключатель П3 в положение “ “, П1

-в положение “ “.

2.4.2.Установить частоту генератора 50 Гц, а амплитуду сигнала Uвх ~(1 - 2)В.

2.4.3.Поддерживая амплитуду Uвх постоянной и изменяя частоту от 50 Гц до 200 кГц, определить зависимость от частоты

модуля коэффициента усиления К (в соответствии с п. 5 задания 4.2) и угла сдвига фаз ( ) между входным и выходным напряжением.

а b

Рис. 7. Осциллограмма Uвых (Uвх) при наличии фазового сдвига между входным и выходным напряжениями.

Угол сдвига фаз рассчитывают по формуле:

= arcsin a/b,

36

где отрезки a и b, выраженные в произвольных единицах, определяют из осциллограмм в соответствии с рис. 7. Результаты измерений занести в табл. 2.

2.4.4. Построить графики зависимостей К (lgf) и (lgf).

5.Контрольные вопросы

5.1.Перечислить и пояснить основные технические пока-

затели ОУ.

5.2.Из каких каскадов обычно состоит ОУ и какие требования предъявляются к каждому из этих каскадов?

5.3.Какова схемотехника каскадов ОУ?

5.4.Пояснить логарифмический частотный критерий устойчивости Боде.

5.5.Рассказать о методах частотной коррекции.

5.6.Получить формулу для коэффициента усиления инвертирующего усилителя в предположении об идеальности ОУ.

5.7.Получить формулу для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя в предположении об идеальности ОУ.

5.8.Объяснить ход зависимостей Uвых(Uвх), К (lgf) и(lgf), полученных в работе.

Библиографический список

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. / Г.С. Остапенко - М.: Радио и связь, 1989. - 400 с.