Основы схемотехники электронных цепей. Лабораторный практикум. Учеб-ное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Издание 2-е, с изменениями и дополнениями Под редакцией В.В. Масленникова

Москва 2010

УДК 621.382.2.049.77(076.5) ББК 32.85я7 О-75 Основы схемотехники электронных цепей. Лабораторный практикум. Учебное пособие. Под ред. В.В. Масленникова. Изд. 2-е, с изм. и доп. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 124 с. Авторы: В.П. Автушко, В.М. Белопольский, Н.Н. Гусева, В.В. Масленников, Н.А. Рубцов Описания лабораторных работ 1 и 3 подготовлены проф. В.В. Масленниковым; 2 – ст. преподавателем В.П. Автушко; 4 – ст. преподавателем Н.Н. Гусевой, 5 – ст. преподавателем Н.А. Рубцовым, 6 – проф. В.М. Белопольским. Содержит описание шести лабораторных работ. Работы 1-3 посвящены изучению аналоговых устройств, в том числе операционного усилителя. В работе 4 исследуются логические элементы. В работе 5 изучаются импульсные устройства: мультивибраторы и одновибраторы, выполненные на логических элементах и операционных усилителях. В 6 работе описаны принципы работы цифровых узлов на основе триггеров, регистров, сумматоров, счетчиков, дешифраторов. Для углубленного изучения материала в описании каждой лабораторной работе приведен список литературы, а для самопроверки знаний при подготовке к лабораторной работе – контрольные вопросы. Пособие предназначено для студентов факультетов «Б», «Высший физический колледж», «Т», «Ф», «У», а также для студентов, интересующихся аналоговыми и цифровыми устройствами. Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.А. Волков Рекомендовано к изданию редсоветом НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1260-9

© Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2005 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ...........................................................................................4 Работа 1 Компоненты электронных устройств ...................................................5 Работа 2 Усилительные каскады на транзисторах ...........................................23 Работа 3 Усилители на основе микросхем ОУ .................................................47 Работа 4 Цифровые логические элементы ........................................................67 Работа 5 Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах и операционных усилителях....................83 Работа 6 Комбинационные и последовательностные устройства.................102

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электроника прочно вошла в нашу жизнь. Сейчас трудно представить жизнь без телевизоров, радиоприемников, калькуляторов, компьютеров, сети Интернет и т.д. Работа же всех перечисленных приборов и систем основана на широком использовании различных достаточно сложных электронных устройств. Но эти сложные электронные устройства состоят из простейших электронных цепей, выполненных на транзисторах и микросхемах. Для изучения таких простейших электронных цепей и предназначен данный лабораторный практикум. Следует заметить, что в последнее время благодаря интенсивному развитию цифровой электроники и методов моделирования на компьютерах можно промоделировать работу весьма сложных электронных устройств. В связи с этим возник даже соответствующий термин «виртуальная электроника». Но как бы хорошо инженер не знал и не умел смоделировать работу электронных схем на компьютере, хорошим специалистом он может стать, лишь научившись своими руками собирать электронные устройства, схемы для их измерения и проводить экспериментальные исследования. Ведь «виртуальное» электронное устройство, какие бы хорошие результаты не получились при его моделировании, должно работать «не в принципе, а в кожухе». А при реальном воплощении электронного устройства возникает масса проблем, связанных с влиянием электромагнитных наводок, шумов, фона от источников питания, отклонения реальных значений элементов от используемых при моделировании, паразитных связей, способных полностью парализовать работу устройства. Все это в «виртуальной электронике» учесть очень трудно. Нужен практический опыт. Основы такого опыта и предлагается получить студентам при выполнении лабораторного практикума. 4

Работа1

КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Цель: изучение простейших компонентов электронных устройств и цепей, реализованных на их основе. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Электронные устройства состоят из отдельных пассивных и активных компонентов. Из пассивных компонентов чаще всего используют резисторы, конденсаторы и диоды. В электрических цепях, составленных из пассивных компонентов, при протекании электрического тока происходит потеря части электрической энергии. При использовании активных компонентов: транзисторов и микросхем маломощный входной сигнал может привести к появлению более мощного сигнала на выходе устройства. При этом электрическая энергия выходного сигнала получается от источников питания, которые всегда используются при включении в электронное устройство активных компонентов. В лабораторной работе изучаются пассивные RC-цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов, а также работа транзистора в усилительном режиме. Пассивные RC-цепи Простейшими RС-цепями являются интегрирующая и дифференцируюшая RC-цепочки. Интегрирующая RC-цепь (рис. 1.1) представляет собой последовательно соединенные резистор и конденсатор, на которые подается входной сигнал Uг , а выходной сигнал Uвых снимается с конденсатора. 5

Рис. 1.1. Интегрирующая RC-цепь

В случае, если входной генератор Uг – источник синусоидального напряжения, для нахождения частотных характеристик цепи воспользуемся символическим методом и определим коэффициент передачи цепи K Uвых / Uг . По второму закону Кирхгофа сумма ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений на участках цепи. Отсюда:

Uг

IR I

K( j )

1 , Uвых j C

I 1 j C 1 R I j C

I

1 1 j

1 , j C ,

(1.1)

где = RC – постоянная времени RC-цепи. Из выражения (1.1) можно получить формулы для расчета амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик. Для построения АЧХ необходимо найти модуль K ( j ) . Из (1.1) получаем

1

K( j ) 1

2 2

.

(1.2)

Из (1.1) и (1.2) следует, что при = 0, т.е. при постоянном во времени Uг коэффициент передачи цепи равен 1. K ( j ) монотонно уменьшается и при При увеличении = коэффициент передачи становится равным 0. Верхней граничной частотой в называется частота, при которой модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с 6

коэффициентом передачи при

K( j

в)

1 следует, что 2

=0 в

1 , т.е.

2 2 в

в

2 раз. Из (1.2) и 1.

На рис.1.2, а приведен вид АЧХ интегрирующей RC-цепочки. При построении учитывалось, что f

, т.е. f в

2

1 . 2

Рис. 1.2. АЧХ (а) и ФЧХ (б) интегрирующей RC-цепи

Известно, что зависимость от частоты фазового сдвига выходного сигнала по отношению к входному, т.е. фазочастотная характеристика цепи, определяется как арктангенс отношения мнимой части коэффициента передачи к действительной. Для построения ФЧХ умножим числитель и знаменатель передаточной функции (1.1) на комплексно-сопряженную величину. Получим

1 j 1 2 Из (1.3) следует: ( ) arctg ( ) K( j )

2

.

(1.3)

arctg ( ) .

Необходимо отметить, что на верхней граничной частоте

fв

1 сдвиг по фазе между выходным сигналом и сигналом ге2

нератора составляет: – 45 (рис. 1.2, б). 7

Временные параметры интегрирующей RC-цепи определяются по переходной характеристике при подаче на ее вход прямоугольного импульса напряжения (рис. 1.3, а). Напряжение на выходе цепи снимается с конденсатора, а по закону коммутации напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Анализ показывает, что оно будет изменяться по экспоненте и определяться по формуле: Uвых Uг (1 e t / RC ) , где RC = – постоянная времени цепи.

Рис. 1.3. Переходная характеристика интегрирующей RC-цепи: а – входной импульс; б – выходной импульс

В начальный момент выходное напряжение является интегралом по времени от входного напряжения. Именно поэтому данную RC-цепь называют интегрирующей. Постоянную времени можно определить как время, в течение которого выходное напряжение достигает значения, отличающегося от установившегося на 1/e. Графический способ определения показан на рис. 1.3, б. Для характеристики импульсного процесса обычно используют параметр tф – время нарастания фронта, который определяется как время, в течение которого напряжение на выходе изменяется от уровня 0,1 U вых.уст до 0,9 U вых.уст (см. рис. 1.3, б). Для рассматриваемой RC-цепи tф определяется по формуле: tф 8

2,2 .

Рис. 1.4. Дифференцирующая RC-цепь

В дифференцирующей RC-цепи (рис. 1.4) резистор и конденсатор также включены последовательно, но последовательность включения по отношению к входному генератору изменена. При этом выходной сигнал снимается с резистора. Амплитудночастотная и фазочастотная характеристики получаются из выражения для коэффициента передачи, который можно получить аналогично коэффициенту передачи для интегрирующей цепи.

R

K R

1 j C

j RC . 1 j RC

Тогда АЧХ (рис. 1.5, а) выражается как K

1 ФЧХ (рис. 1.5, б) как

arctg

RC , а 2 R2C2

1 . RC

Рис. 1.5. АЧХ (а) и ФЧХ (б) дифференцирующей RC-цепи 9

Выражение для нижней граничной частоты пропускания

fн

1 . 2 RC

При подаче прямоугольного импульса на вход такой цепи (рис. 1.6) напряжение на выходе определяется по формуле: Uвых Uгe t / , где = RC, как для интегрирующей RC-цепи.

Рис. 1.6. Переходная характеристика дифференцирующей RC-цепи: а – входной импульс; б – выходной импульс

Полупроводниковый диод Идеальный диод – электронный прибор, пропускающий ток в одном направлении и не пропускающий его в другом. Полупроводниковый диод выполняется на основе р-n перехода, создаваемого за счет соединения двух полупроводниковых слоев с электронной проводимостью (область n) и с дырочной проводимостью (область р), и обозначается на схеме так, как изображено на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Внутренняя структура полупроводникового диода и его условное изображение в схеме

10

Чаще всего современные полупроводниковые диоды выполняются на основе кремния. При этом область n образуется за счет добавления в кремний донорной примеси, имеющей большую валентность, чем кремний, и обеспечивающей наличие свободных электронов. Область р образуется за счет добавления акцепторной примеси, имеющей меньшую валентность, чем кремний. Каждый атом акцепторной примеси для ковалентной связи с кремнием заимствует у атомов кремния недостающий электрон, и в полупроводнике образуются дырки – отсутствие электронов. Дырки имеют положительный заряд, равный заряду электронов, и они могут свободно перемещаться в полупроводнике. При присоединении к p-n переходу через омические контакты источника постоянного напряжения E, как показано на рис. 1.8, а, высота потенциального барьера p-n перехода уменьшается. В этом случае считается, что p-n переход смещен в прямом направлении, диод открыт и через него пойдет ток. При присоединении к p-n переходу источника Е, как показано на рис. 1.8, б, высота потенциального барьера p-n перехода увеличивается. Считается, что при этом р-n переход смещен в обратном направлении, диод закрыт, а ток практически равен нулю.

Рис. 1.8. Смещение p-n перехода в прямом (а) и обратном (б) направлении

Поскольку при работе диода в электрических цепях происходит только потеря электрической энергии (за счет перехода части ее в тепловую энергию), диод является пассивным компонентом. Схема измерения и вольтамперная характеристика диода приведены на рис. 1.9. При протекании через диод слишком большого тока при смещении р-n перехода в прямом направлении и при приложении к р-n переходу слишком большого запирающего напряжения диод может выйти из строя (говорят: диод пробивается). Максимально 11

допустимые токи и напряжения диода зависят от технологии его изготовления и конструкции. Эти величины обычно указываются в справочнике.

Рис. 1.9. Схема измерения (а) и вольтамперная характеристика (б) кремниевого диода

Биполярный транзистор Рассмотренные выше компоненты электронных устройств: резисторы, конденсаторы и диоды, а также цепи, выполненные на их основе, являются пассивными, так как при использовании таких цепей выходной сигнал получается по мощности всегда меньше входного из-за потерь электрической энергии. Транзисторы – активные компоненты, с помощью которых на выходе цепи, используя дополнительный источник электрической энергии, можно получить сигнал большей мощности, чем на входе. При этом выходной сигнал будет зависеть от входного. Рассмотрим устройство и принцип действия кремниевого биполярного транзистора n-p-n типа. При его изготовлении обеспечивается последовательное соединение трех областей примесного полупроводника, как это показано на рис. 1.10, а. Левая n-область полупроводника называется эмиттерной (она эмитирует электроны), правая n-область, отличающаяся от эмиттерной конструкцией и технологией изготовления, называется коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является 12

общей для эмиттерного и коллекторного p-n переходов полупроводника). Соответственно выводы из этих областей называются эмиттером, коллектором и базой транзистора.

Рис. 1.10. Структура биполярного транзистора n-p-n типа (а), его упрощенная эквивалентная схема для большого сигнала (б), условное обозначение в электрических схемах (в)

Как видно из рис. 1.10, а, биполярный транзистор представляет собой соединение двух p-n переходов, левый из которых называется эмиттерным, а правый – коллекторным. При смещении эмитерного и коллекторного переходов транзистора в прямом направлении (режим насыщения) и при смещении в обратном направлении (режим отсечки) транзистор при расчетах может быть заменен двумя встречно включенными диодами. Упрощенная эквивалентная схема в этом случае представлена на рис. 1.10, б, а на рис. 1.10, в представлено изображение биполярного транзистора в электрических схемах. Приведенная на рис. 1.10, б упрощенная эквивалентная схема транзистора, состоящая из двух диодов, отнюдь не означает, что транзистор можно изготовить, соединив встречно два диода. Такая структура из двух диодов не будет обладать свойством активного прибора. Изобретение американским ученым Шокли и его коллегами в 1948 г. транзистора (это изобретение по многим опросам уверено входит в пятерку самых выдающихся изобретений ХХ в.) состояло в том, что два p-n перехода удалось соединить в один прибор при выполнении одновременно двух условий: 1) проводимость эмиттерной области была существенно больше проводимости базовой области, т.е. концентрация электронов в эмиттерной зоне была много больше концентрации дырок в базовой зоне; 13

2) толщина базовой области, т.е. расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами транзисторов было достаточно малым (в современных биполярных транзисторах оно порядка 1 мкм). Совпадение двух названных условий позволило создать биполярный транзистор – активный прибор, обеспечивающий получение на выходе устройств на его основе электрического сигнала большего по мощности, чем входной. Убедимся в этом. Для того, чтобы транзистор мог усиливать электрический сигнал, т.е. работать в активном режиме, эмиттерный переход транзистора нужно сместить в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Это можно сделать, если транзистор включить по схеме с общей базой (рис. 1.11). При этом источник Eэ смешает эмиттерный переход в прямом направлении, а источник Eк смещает коллекторный переход в обратном направлении. Эти два источника включены последовательно, причем их средняя точка присоединена к общей шине питания, к которой и присоединена база транзистора. Именно поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой. При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него пойдет эмиттерный ток I э . Этот ток будет состоять из потока электронов из эмиттерной области в базовую I n и потока дырок из базовой области в эмиттерную I p : I э I n I p . Поскольку проводимость эмиттерного перехода много больше проводимости слоя базы, можно пренебречь током дырок I p и считать, что

Iэ

In .

Большая часть электронов, попадающая в тонкую базовую область транзистора, при своем движении может оказаться в зоне коллекторного перехода, в котором положительное напряжение источника Eк заставит их пройти р-n переход. Возникнет коллекторный ток I к (заметим, что если не будет эмиттерного тока, то коллекторного тока также не будет, так как коллекторный р-n переход закрыт с помощью источника Eк ). Меньшая часть электронов, попадающих в базу, не дойдет до коллектора, так как электроны могут рекомбинировать с дырками базовой области (происходит взаимное уничтожение электронов и дырок). 14

Рис. 1.11. Включение транзистора по схеме с общей базой

По первому закону Кирхгофа эмиттерный ток будет равен сумме коллекторного и базового токов: (1.4) Iэ Iк Iб , где I б – это ток дырок, которые будут рекомбинировать в базе с электронами. Следовательно, в образовании токов в транзисторе используются как электроны, так и дырки. По этой причине транзистор называется биполярным. Положим, что I к I э , где – коэффициент передачи эмиттерного тока, причем < 1. Тогда из (1.4) следует, что Iк / I к I б и I к I б /(1 ) I б , где /(1 ) – коэффициент усиления базового тока (при > 0,5, > 1). Таким образом, если транзистор включить так, чтобы входным током был бы ток базы, коллекторный (выходной) ток получится в раз больше (у современных транзисторов – элементов микросхем 100). Одной из схем, в которой входным током является ток базы, может быть схема включения транзистора с общим эмиттером (рис. 1.12). Источником входного сигнала в данной схеме является источник ЭДС Eб . Мощность входного электрического сигнала Pвх I б Eб . В выходной цепи будет протекать ток I к . Мощность, отбираемая от источника Eк , равна Pвых Iк Eк I б Eк . Поскольку обычно >> 1, а Eк Eб в выходной цепи мощность электрического сигнала будет много больше, чем мощность входного Рис. 1.12. Включение сигнала. Именно поэтому транзистор транзистора по схеме можно считать активным прибором. с общим эмиттером 15

Схемы, приведенные на рис. 1.11 и 1.12, являются иллюстративными и использоваться на практике не могут по ряду причин. Например, в схеме, приведенной на рис. 1.12, во-первых, недопустимо подключение источника Eб без токоограничивающего резистора. Действительно, если установить Eб > 0,8 В, через эмиттерный переход транзистора может пойти чрезмерно большой ток, переход пробьется и транзистор выйдет из строя. Во-вторых, в электронных устройствах удобно иметь дело не с токами, а напряжениями. Поэтому, чтобы получить в схеме усиление по напряжению необходимо в коллекторную цепь включить дополнительный токосъемный резистор. Схема простейшего усилительного каскада с общим эмиттером приведена на рис. 1.13. В схему введены два дополнительных резистора, о которых шла речь выше. Источники ЭДС Eб и Eк позволяют сместить эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Для нормальной работы каскада сначала устанавливается режим по постоянному току (рабочая точка). Для этого от источника питания через резистор Rб задается базовый ток транзистора, такой, чтобы соответствующий ему ток коллектора I к I б , протекающий по резистору Rк , вызывал на нем падение напряжения примерно 0,5 Eк . В этом случае при изменении тока базы с помощью входного сигнала напряжение на коллекторе транзистора (а в схеме на рис. 1.13 U к U кэ ) может изменяться от 0 до Eк : U к E I к Rк (при этом I кмакс E / Rк ).

Рис. 1.13. Простейший усилительный каскад с общим эмиттером 16

Входной синусоидальный сигнал, изменяющий ток базы, можно в этом случае подать на базу транзистора через разделительный конденсатор С. Амплитуда входного сигнала должна быть такой, чтобы не искажалась форма синусоидального сигнала на выходе. При этом можно считать, что транзистор находится в активном режиме. Транзистор в активном режиме для малого входного сигнала при расчетах можно заменить следующей упрощенной эквивалентной схемой (рис. 1.14). В этой схеме rб – сопротивление базового слоя транзистора (обычно 100 ... 250 Ом), rэ – сопроРис.1.14. Упрощенная эквивалентная схема для малого тивление эмиттерного перехода сигнала rэ 25/ I э Ом, где I э – эмиттерный ток в мА (при I э 1 мА, rэ 25 Ом), I б – генератор тока, учитывающий усиление базового тока в раз. Если под действием входного сигнала базовый ток уменьшается до нуля, то говорят, что транзистор перешел в режим отсечки. Транзистор в этом случае закрыт, так как оба перехода транзистора закрыты, токи равны нулю ( I б 0 , I к 0 ), а напряжение на коллекторе U к Eк . Если увеличивать ток базы, то, хотя напряжение U бэ увеличивается, на коллекторе транзистора U к (равное в рассматриваемой схеме U кэ ) будет уменьшаться практически до нуля. Дальнейшее увеличение тока базы уже не приводит к изменению тока коллектора и напряжения U к . Это связано с тем, что транзистор находится в режиме насыщения, а оба его перехода смещены в прямом направлении. При этом U кэ = U бк – U бэ 0 . ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Макет для изучения элементов электронных устройств (его лицевая панель приведена на рис. 1.15) содержит транзистор и набор 17

резисторов и конденсаторов для исследования. Питание макета осуществляется напряжением +10 В от внешнего источника. Напряжение Eб формируется в макете. Его изменение осуществляется потенциометром в пределах 0 10 В.

Рис.1.15. Лицевая панель лабораторного макета

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Изучить по описанию лабораторной работы исследуемые пассивные и активные компоненты электронных устройств и цепи на их основе. 2. Подготовить ответы на контрольные вопросы. 3. Рассчитать для четырех случаев верхнюю и нижнюю граничные частоты, а также постоянную времени интегрирующей и дифференцирующей цепей, используя значения емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, приведенные на схеме макета (рис.1.15). 4. Рассчитать значение напряжения Eб (см. рис.1.13), при кото5 В, полагая, что = 100, U бэ 0,7 В. ром U кэ U вых

18

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Исследовать интегрирующую RC-цепь: а) снять АЧХ цепи. Для этого на ее вход подать синусоидальный сигнал с генератора ( U г = 1 В, f = 20 Гц). Увеличивая частоту сигнала, измерять с помощью вольтметра напряжение на выходе цепи, численно равное коэффициенту передачи цепи (поддерживая на входе напряжение 1 В). Определить верхнюю граничную частоту цепи по уменьшению коэффициента передачи в 2 раз. С помощью осциллографа определить сдвиг по фазе на этой частоте; б) с помощью осциллографа снять переходную характеристику цепи, используя в качестве источника входного сигнала генератор импульсов. 2. Исследовать дифференцирующую RC-цепь: а) снять АЧХ цепи. Для этого на ее вход подать синусоидальный сигнал с генератора ( U г = 1 В, f =200 кГц). Уменьшая частоту сигнала, измерять с помощью вольтметра напряжение на выходе цепи, численно равное коэффициенту передачи цепи (поддерживая на входе цепи напряжение 1 В). Определить нижнюю граничную частоту цепи f н по уменьшению коэффициента передачи в 2 раз. С помощью осциллографа определить сдвиг по фазе на этой частоте; б) с помощью осциллографа снять переходную характеристику цепи, используя в качестве источника входного сигнала генератор импульсов. 3. Исследовать биполярный транзистор в различных режимах: а) подать на макет напряжение питания от источника Eк 10 В; б) изменяя напряжение Eб , установить на коллекторе Uк 5 В; в) определить коэффициент передачи тока базы транзистора ; г) подавая через разделительный конденсатор на базу транзистора сигнал от синусоидального генератора ( U г = 0,01 В, f г = = 10 кГц), определить коэффициент усиления каскада KU U вых /U г . 19

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Чему равно сопротивление емкости для переменного синусоидального тока? 2. Чему равен сдвиг по фазе между напряжением на емкости и переменным током, протекающим через нее? 3. Как определяются верхняя и нижняя граничные частоты в RCцепях? 4. Какой максимальный фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением возможен в интегрирующих и дифференцирующих цепях? 5. Может ли постоянный ток протекать через конденсатор? 6. Может ли скачком изменяться напряжение на конденсаторе? Поясните. 7. По какому закону происходит заряд конденсатора, осуществляемый от источника постоянного напряжения через резистор? 8. Может ли напряжение в RC-цепи измениться мгновенно при подаче на нее импульсного сигнала? 9. Какими свойствами обладает диод? 10. Какова внутренняя структура полупроводникового диода? 11. Чем отличаются акцепторная и донорная примеси? 12. Как обозначается диод в схеме? 13. Какие нужно приложить напряжения к диоду, чтобы он был открыт или закрыт? 14. Нарисуйте форму напряжения на выходе цепей при подаче на вход синусоидального напряжения:

20

15. Какова структура n-p-n транзистора? 16. Как обозначаются транзисторы в схеме? 17. Как должны быть смещены переходы в транзисторе, работающем в активном режиме? 18. Нарисуйте включение транзистора с общей базой. 19. Какой принцип работы транзистора в схеме с общей базой? 20. Почему проводимость эмиттерной зоны должна быть много больше проводимости базовой зоны? 21. Почему база транзистора должна быть тонкой? 22. Нарисуйте схему простейшего усилительного каскада с общим эмиттером. 23. Зачем в базовую цепь транзистора с общим эмиттером включают резистор? 24. Зачем в коллекторную цепь транзистора с общим эмиттером включают резистор? 25. Из каких соображений в усилительном каскаде с общим эмиттером выбирают режим транзистора по постоянному току? 26. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора для большого сигнала. 27. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора для малого сигнала. 28. В чем отличие пассивных и активных компонентов электронных устройств? 29. За счет каких причин мощность на выходе усилителя можно получить больше, чем мощность входного сигнала? 30. При каких условиях транзистор работает в области отсечки? 31. Как происходит насыщение транзистора? 32. Найдите К(jω) для цепи:

33. Нарисуйте импульс на выходе:

21

34. Нарисуйте UВЫХ = f (t) при переключении ключа:

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с. 3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.1. – 2008. – 827 с. 4. Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с. 5. Масленников В.В. Элементы электронных устройств. – М.: МИФИ, 2002. – 99 с.

22

Работа2

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Цель: изучение и экспериментальное исследование основных параметров и характеристик простейших усилительных каскадов на биполярном транзисторе с общим эмиттером и общим коллектором (эмиттерный повторитель), получивших наибольшее распространение при проектировании реальных усилительных устройств. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Усилителем называется устройство, в котором маломощный входной сигнал непрерывно и однозначно управляет передачей сигнала большей мощности из источника питания в нагрузку. В исследуемых простейших усилительных каскадах передача энергии в нагрузку регулируется с помощью активного элемента – биполярного транзистора. Рассмотрим наиболее распространенные усилительные каскады с общим эмиттером и общим коллектором. Усилительный каскад с общим эмиттером Наиболее распространенная схема усилительного каскада с общим эмиттером и емкостными связями приведена на рис.2.1. По сравнению с простейшим усилительным каскадом с общим эмиттером, исследованным в работе 1 (схема приведена на рис.1.13), в данном усилительном каскаде дополнительно введены в базовую цепь резистивный делитель напряжения ( R1 и R2 на схеме рис.2.1) и в эмиттерную цепь резистор Rэ . Как будет пока23

зано ниже, введение в каскад резисторов R1 , R2 и Rэ позволяет получить стабильный режим усилительного каскада, практически мало зависящий от параметров транзистора.

Рис. 2.1. Усилительный каскад с общим эмиттером

Рассмотрим принцип работы каскада. При отсутствии входного сигнала ( U г 0 ) с помощью резисторов R1 , R2 , Rк и Rэ и источника питания Eп обеспечивается режим по постоянному току транзистора. При этом р-n переход эмиттер – база (эмиттерный переход) смещен в прямом направлении, а переход коллектор – база (коллекторный переход) находится при обратном смещении. В этих условиях транзистор работает в активном режиме и может обеспечить усиление входных сигналов. Сопротивления базового делителя R1 и R2 создают необходимый потенциал на базе U б , который смещает эмиттерный переход в прямом направлении (падение напряжения на нем при этом примерно равно 0,6 В) и вызывает протекание через него базового тока I б . Зависимость базового тока I б от напряжения U бэ (входная характеристика каскада с общим эмиттером при определенном напряжении на коллекторе) очень близка к вольтамперной характеристике диода (см. рис.1.9, б). Ввиду большой нелинейности этой характеристики и разбросу параметров используемых транзисторов определить базовый ток не представляется возможным. Но можно 24

поступить следующим образом. Полагая, что ток базы I б много меньше, чем ток, протекающий через резистивный делитель I д , определим напряжение на базе транзистора U б

Eп R2 . Зная, R1 R2

что напряжение на эмиттере меньше, чем на базе на 0,6 В, получим напряжение на эмиттере: U э U б U бэ U б 0,6 В .

Uэ . Учитывая, что Rэ I б , получаем, что I э (1 )I б . Отсюда

Отсюда определяем эмиттерный ток I э

Iк Iб , а Iк Iэ . Полагая, что β >> 1, получаем I э I к . Iб 1 β Коллекторный ток I к , протекая по сопротивлению Rк , вызываIэ

ет на нем падение напряжения, причем потенциал на коллекторе можно определить по формуле:

Uк

Eп

I к Rк .

(2.1)

Из приведенных выше формул следует, что режим транзистора в усилительном каскаде практически не зависит от параметров транзистора. Это позволяет получать одинаковый режим при замене в усилительном каскаде транзисторов (в случае, если транзистор выйдет из строя в процессе эксплуатации). Кроме того, режимные токи и напряжения остаются постоянными при изменении температуры и параметров транзистора. При подаче входного сигнала ( U г 0 ) происходит изменение базового тока, а следовательно, и коллекторного, который в раз больше. Изменение коллекторного тока вызывает пропорциональное изменение коллекторного напряжения, которое и передается в нагрузку через конденсатор С 2 . При этом, если на вход усилителя подан сигнал положительной полярности, то он вызывает увеличение базового и коллекторных токов и, как следует из формулы (2.1), уменьшение потенциала коллектора. Таким образом, сигнал в нагрузке оказывается в противофазе с входным сигналом. Следует отметить необходимость использования в усилительном каскаде конденсаторов C1 , C 2 и Cэ . Разделительные конден25

саторы C1 и C 2 служат для исключения прохождения постоянного тока из каскада в генератор входного сигнала и нагрузку соответственно. Если бы входной генератор и нагрузка подключались к усилительному каскаду не через конденсаторы, а непосредственно, то постоянные токи транзистора могли бы измениться, и режим транзистора в усилительном каскаде был бы нарушен. Блокирующий конденсатор Cэ шунтирует по переменному сигналу резистор Rэ , что устраняет действие отрицательной обратной связи в диапазоне рабочих частот. Именно поэтому эмиттер транзистора по переменному току можно считать соединенным с общей шиной, что и обусловило название каскада – с общим эмиттером. Режим работы усилительного каскада. Рабочая точка Режим работы транзисторного усилительного каскада может определяться с помощью коллекторных характеристик (рис.2.2). Область нормальной работоспособности транзистора ограничена: максимально допустимым напряжением Uкэ. доп , при превышении которого происходит пробой перехода база – коллектор (вертикальная прямая справа); максимально допустимым током коллектора Iк. доп (горизонтальная прямая сверху); максимально допустимой мощностью Pк. доп  I кUкэ , рассеиваемой на коллекторе (гипербола). Для определения области работы транзистора строится нагрузочная прямая

U кэ

Eп

I к Rк

I э Rэ ,

(2.2)

где U кэ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора (см. рис.2.2); I к Rк – падение напряжения на резисторе Rк ; I э Rэ – падение напряжения на резисторе Rэ . Сопротивление Rк выбирается, как будет показано ниже, исходя из необходимого коэффициента усиления каскада по напряжению, причем чем оно больше, тем больше коэффициент усиления. Сопротивление Rэ 26

вводится в схему для стабилизации режима усилительного каскада, причем чем больше Rэ , тем более стабилен режим усилительного каскада. Однако, как следует из формулы (2.2), при заданных напряжении Eп , режимном токе I э и напряжении U кэ увеличение Rэ приводит к увеличению на нем падения напряжения, что требует уменьшения сопротивления Rк , что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента усиления. По этой причине сопротивление Rэ в зависимости от необходимой стабильности режима выбирают в пределах от 0,1 до 0,3 от сопротивления Rк .

Рис. 2.2. Семейство коллекторных характеристик. Выбор рабочей точки

С учетом того, что при работе транзистора в активной области можно считать I э I к , выражение (2.2) для построения нагрузочной прямой примет вид

U кэ

Eп

I к (Rк

Rэ ) .

(2.3)

Рабочая точка А (см. рис.2.2) – совокупность значений тока коллектора и напряжения U кэ при отсутствии входного сигнала. Она должна удовлетворять следующим требованиям: 27

1) лежать в пределах области допустимых параметров транзистора (максимальные ток, напряжение и рассеиваемая мощность); 2) быть стабильной при изменении температуры; 3) находиться в линейной области характеристик, т.е. там, где сохраняется прямая пропорциональность между I б и I к ; 4) обеспечить максимально возможный выходной сигнал, усиливаемый без искажений формы синусоиды; 5) режим работы транзистора должен быть близким к номинальному, указываемому в справочниках. Стабильность рабочей точки зависит не только от величины сопротивления Rэ , но и от отношения

Rэ , где R1 R2 – паралR1 R2

лельное сопротивление базового делителя. Чем больше отношение

Rэ , тем более стабильна рабочая точка при изменении темпеR1 R2 ратуры. Линейные и нелинейные искажения При усилении возникают искажения выходных сигналов. Различают линейные и нелинейные искажения. Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов и связаны с изменением сигнала во времени. Нелинейные искажения вызываются наличием в усилителе нелинейных элементов, имеющих нелинейные вольтамперные характеристики, и связаны с величиной амплитуды сигнала, причем, чем меньше амплитуда выходных сигналов, тем меньше искажения. Линейные и нелинейные искажения проявляются по-разному в зависимости от вида входного сигнала. Линейные искажения при входном синусоидальном сигнале не приводят к искажению формы сигнала, но амплитуда и фаза выходного сигнала по отношению к входному сигналу изменяются, причем эти изменения зависят от частоты подаваемого сигнала. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотный характеристикой (рис. 2.3). Различают следующие области этой характеристики: 28

область средних частот, в которой линейные искажения малы, а коэффициент усиления максимален и практически не зависит от частоты; области низких и высоких частот, в которых коэффициент усиления заметно уменьшается по сравнению с максимальным значением.

Рис. 2.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Нижняя и верхняя граничные частоты f н и f в (см. рис.2.3) определяются как частоты, на которых модуль коэффициента усиления уменьшается в 2 раз по сравнению с модулем коэффициента усиления в области средних частот. Диапазон частот f в f н называется полосой пропускания усилителя. Спад амплитудно-частотной характеристики усилителя в области низких частот обусловлен действием разделительных С1 и С 2 и блокирующего Сэ конденсаторов и возникает из-за того, что на низких частотах реактивное сопротивление емкостей

Z

1 увеличивается. j C

Спад амплитудно-частотной характеристики усилителя в области высоких частот возникает из-за того, что на высоких частотах транзистор теряет свои усилительные свойства (т.к. большое сопротивление коллекторного перехода шунтируется его емкостью и β уменьшается с частотой), а также из-за уменьшения реактивного сопротивления емкости нагрузки. 29

Следует отметить, что при подаче на вход усилителя любых сигналов, отличных от синусоидальных, их форма искажается, хотя эти искажения не всегда можно заметить с помощью осциллографа. Для оценки линейных искажений, возникающих при передаче импульсных сигналов, пользуются переходной характеристикой усилителя, которая является реакцией его на идеальный перепад (ступеньку) тока или напряжения (рис. 2.4, а). Линейные искажения выходных сигналов при этом оцениваются по следующим параметрам переходной характеристики. В области малых времен (рис. 2.4, б): по времени задержки t з , определяемом как время, прошедшее от момента подачи входного сигнала до момента достижения выходным сигналом уровня 0,1U вых.макс; по времени нарастания фронта tф , определяемом как время, в течение которого выходной импульс нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9U вых.макс ; если изменение выходного напряжения происходит по экспоненте и характеризуется постоянной времени нарастания фронта в , то время нарастания фронта определяется по формуле: tф 2,2 в ; по амплитуде выброса , представляющей собой превышение выходного сигнала над его установившимся значением U вых.макс. В области больших времен (рис. 2.4, в) линейные искажения характеризуются относительным спадом плоской вершины выходного импульса

U вых U вых.макс

.

(2.4)

Если спад плоской вершины импульса происходит по экспоненте с постоянной времени спада н , то относительный спад определяется по формуле: Tи

1 e где вия

н

,

(2.5)

Tи – длительность входного импульса. При выполнении услоTи н Tи н

30

.

(2.6)

Рис. 2.4. Переходные характеристики усилителя

Частотные и импульсные параметры усилителя связаны соотношениями: в области высоких частот (малых времен)

fв

1 2 в

2,2 2 tф

0,35 , tф

(2.7)

в области низких частот (больших времен)

fн

1 2 н 31

2 Tи

.

(2.8)

Нелинейные искажения приводят к изменению формы синусоидального сигнала. Если рабочая точка выбрана правильно, то искажения синусоидального сигнала проявляются в одновременном ограничении верхней и нижней части синусоиды (рис. 2.5, а). Если рабочая точка выбрана неправильно, то искажения проявляются сначала в ограничении верхней части синусоидального сигнала (рис. 2.5, б) или, наоборот, в ограничении нижней части синусоидального сигнала (рис. 2.5, в). При нелинейных искажениях выходной сигнал содержит гармоники основной частоты 1 . Уровень нелинейных искажений можно оценить с помощью коэффициента нелинейных искажений:

U n2 макс K н. и

n 2

U1 макс

1 2

,

(2.9)

где U1 макс – амплитуда напряжения первой гармоники; U n макс – амплитуда напряжения n-й гармоники. Коэффициент нелинейных искажений можно определить с помощью селективного вольтметра, измеряя амплитуды каждой гармоники. Нелинейные искажения также можно оценить с помощью амплитудной характеристики (рис. 2.6). По этой характеристике определяют коэффициент относительного отклонения от линейной характеристики: н. и

U вых. лин U вых.макс 100% , U вых.макс

где U вых. лин – амплитуда выходного сигнала при отсутствии нелинейных искажений. При небольшой величине н. и 10 % амплитудная характеристика позволяет определить наличие нелинейных искажений, которые трудно определить визуально по осциллограмме выходного напряжения.

32

Рис. 2.5. Нелинейные искажения синусоидального сигнала

33

Рис. 2.6. Амплитудная характеристика усилителя

По амплитудной характеристике также можно определить такой важнейший параметр усилителя как динамический диапазон усилителя

ДД

U вых.макс , U вых.мин

(2.10)

где U вых.макс – максимальный выходной сигнал при заданном коэффициенте н. и , U вых.мин – минимальный выходной сигнал при заданном отношении сигнал – шум определяется по амплитудной характеристике (см. рис. 2.6). Динамический диапазон будет максимальным при правильно выбранной рабочей точке. Основные параметры усилительного каскада Основными параметрами усилительного каскада являются:

KU

KI

U вых – коэффициент усиления по напряжению; Uг Iн – коэффициент усиления по току; I вх 34

U вх – входное сопротивление каскада; I вх U вых – выходное сопротивление каскада, Rвых I вых где U вых и I вых – изменения выходных напряжения и тока при Rвх

изменении сопротивления нагрузки, f н и f в – нижняя и верхняя граничные частоты усилителя. Все параметры усилительного каскада определяются параметрами транзистора, а также сопротивлениями резисторов и емкостями конденсаторов. Для определения параметров усилительного каскада в линейном режиме и в области средних частот необходимо использовать эквивалентную схему транзистора для малых сигналов (см. рис.1.14) и знать малосигнальные параметры транзистора: – коэффициент усиления базового тока;

rэ

m т – сопротивление эмиттерного перехода, смещенного в Iэ

прямом направлении; т – температурный потенциал ( т 25 мВ при t 20 C ), m – коэффициент, зависящий от типа транзистора (для используемых в работе кремниевых транзисторов его можно считать примерно равным 1,5); rб – сопротивление базового слоя транзистора. С учетом названных параметров транзисторов параметры усилительного каскада можно рассчитать по следующим формулам. Входное сопротивление Rвх Rб Rвх , (2.11) где Rб R1 R2 – сопротивление базового делителя, Rвх – собственное входное сопротивление каскада с общим эмиттером, которое определяется по формуле: Rвх rб rэ (1 ) . (2.12) Выходное сопротивление каскада можно считать равным Rк , так как сопротивление закрытого коллекторного перехода достаточно велико. 35

Коэффициент усиления по напряжению

KU

( Rк Rн ) Rвх , ( Rг Rвх ) Rвх

причем при выполнении условий Rвх лучаем

Rг ,

(2.13)

1 , rб

rэ , по-

Rк Rн . rэ

KU

Коэффициент усиления по току определяется формулой:

Rк

KI

Rк

Rвх . Rн Rвх

(2.14)

Нижнюю граничную частоту усилителя можно вычислить по формулам:

1

fн где

2 н

,

(2.15)

1

1

1

1

н

1

2

э

,

(2.16)

C1 (Rг Rвх ) – постоянная времени перезарядки емкости C1 , 2 C2 (Rк Rн ) – постоянная времени перезарядки емкости C 2 , (Rг Rвх ) – постоянная времени перезарядки емкости Cэ . э Cэ 1

1

Нижнюю граничную частоту экспериментально можно определить по уменьшению коэффициента усиления в области низких частот и спаду плоской вершины на переходной характеристике. Во втором случае нижнюю граничную частоту f н следует рассчитывать по формуле (2.8). В области высоких частот следует учитывать параметры транзистора, обуславливающие его инерционные свойства. Такими параметрами являются: С к – емкость закрытого коллекторного перехода; – постоянная времени коэффициента усиления базового тока 36

1 , 2 fa

(2.17)

где f a – верхняя граничная частота коэффициента передачи эмиттерного тока при включении транзистора по схеме с общей базой. Зная эти параметры, верхнюю граничную частоту можно определить по следующей формуле:

1

fв где

в

Cк (1 1

,

2 в )(Rк Rн ) б

(2.18)

Cн (Rк Rн ) ,

(2.19)

rэ – коэффициент токораспределения в базовой цеrэ rб Rг пи по переменному току, C н – емкость нагрузки. Так же, как и для области низких частот, f в может быть опреб

делена не только по амплитудно-частотной, но и по переходной характеристике. В этом случае f в следует определять по формуле (2.7). Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель) Схема простейшего эмиттерного повторителя приведена на рис. 2.7. Назначение элементов в схеме практически такое же, как в схеме с общим эмиттером. Исключение составляет сопротивление Rэ , которое, с одной стороны, как и в схеме с общим эмиттером, обеспечивает стабильность рабочей точки (за счет отрицательной обратной связи по напряжению), а с другой стороны, является тем сопротивлением, с которого снимается выходное напряжение. Нетрудно понять, что ток в нагрузке может быть больше, чем входной, поскольку эмиттерный ток транзистора в ( 1 ) раз больше тока базы, т.е. в схеме возможно его усиление. Коэффициент усиления напряжения в схеме меньше единицы, так как некоторая незначительная часть вход37

ного напряжения падает на переходе база – эмиттер транзистора, т.е. U вх U вых , причем напряжение на входе совпадает по фазе с напряжением на выходе. Поскольку можно считать, что U вх U вых , схема и называется эмиттерным повторителем.

Рис. 2.7. Усилительный каскад с общим коллектором

В отличие от схемы с общим эмиттером в эмиттерном повторителе постоянное напряжение на базе всегда меньше, чем напряжение на коллекторе и поэтому исключен режим насыщения. При создании с помощью базового делителя R1 и R2 достаточного напряжения на базе ( U бэ 0,6 В) эмиттерный переход будет открыт, и транзистор будет работать в активной области. Для обеспечения большого динамического диапазона необходимо, чтобы напряжение на эмиттере составляло примерно 0,5Eп . В этом случае напряжение на базе будет равно U б 0,5Eп 0,6B . Соображения по выбору отношения

Rэ , обеспечивающие R1 R2

стабильность рабочей точки, изложенные применительно к каскаду с общим эмиттером, справедливы и для эмиттерного повторителя. Однако необходимо учитывать, что от значений сопротивлений R1 , R2 , Rэ зависят и основные параметры повторителя.

38

Основные параметры эмиттерного повторителя Основные параметры эмиттерного повторителя в области средних частот можно рассчитать по следующим формулам: (2.20) Rвх Rб Rвх , где

Rвх

rб [rэ

Rвых

rэ

KU

(Rэ Rн )](1

(Rг Rб ) rб 1

Rвх Rг Rвх

),

(2.21)

Rэ ,

(2.22)

Rэ Rн Rэ Rн

rэ

rб

,

(2.23)

1

Rвх Rэ . Rвх ( Rэ Rн )

KI

(2.24)

Нижнюю граничную частоту можно определить по формуле (2.15), где

1 2

1

1

1

н

1

2

;

C1 (Rг

Rвх ) ;

C2 (Rн

Rвых ) .

Верхнюю граничную частоту следует определять по приближенной формуле (2.18), где б

(Cк* Cн )(Rг Rб Rэ Rн ) 1

Cк* Cк (1 б

;

б

);

(2.25)

Rэ Rн . Rэ Rн Rг Rб

Анализ приведенных формул показывает, что по сравнению со схемой с общим эмиттером повторитель имеет следующие особенности: большее входное сопротивление, 39

меньшее выходное сопротивление, меньшую нижнюю граничную частоту, большую верхнюю граничную частоту. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Схема макета приведена на рис. 2.8. Макет используется для исследования и определения параметров усилительного каскада с общим эмиттером и эмиттерного повторителя. Для исследования влияния параметров элементов схемы на искажения, вносимые каскадом, в макете предусмотрена возможность изменения С1 , Сн и Rн . Напряжение питания выбирается +10 В и подводится к клеммам Eп 10 В и общей шине (0).

Рис. 2.8. Лицевая панель лабораторного макета 40

В макете расположен встроенный генератор прямоугольных импульсов, необходимый при исследовании импульсных параметров усилительных каскадов. Встроенный генератор имеет два фиксированных значения частоты ВЧ и НЧ, предназначенные соответственно для определения tф и усилительного каскада. Переключение режима работы генератора осуществляется с помощью тумблера «ВЧ – НЧ». При исследовании каскадов при синусоидальных сигналах следует использовать внешний генератор. Визуальное наблюдение сигналов и их измерения производятся с помощью осциллографа и цифрового вольтметра. Все необходимые соединения в макете производятся с помощью П-образных перемычек. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Изучить описание лабораторной работы. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Рассчитать потенциалы на коллекторе, базе и эмиттере транзистора каскада с общим эмиттером, учитывая, что коллекторный ток, обеспечивающий максимальный динамический диапазон, определяется по формуле:

Iк

Eп Rк

Rэ

Rк Rн

.

(Выбрать Rк Rн 10 кОм и Rэ 2 кОм.) При расчетах использовать также формулы (2.1), (2.3) и учитывать, что на открытом эмиттерном переходе транзистора падает напряжение примерно равное 0,6 В. 4. Рассчитать параметры каскада в области средних частот Rвх и KU при Rг 1 кОм и трех значениях сопротивлений нагрузки: Rн , Rн 10 ; 1 кОм, полагая при этом, что потенциометр в базовой цепи транзистора VT1 стоит в среднем положении, т.е. R1 33,7 кОм, а R2 30,6 кОм. Учесть при этом, что используется транзистор КТ 312В, параметры которого 50 200 ( ср 80), rб 100 Ом. 41

5. Рассчитать в области низких частот (больших времен) постоянную времени н и нижнюю граничную частоту f н при Rн 10 кОм для двух наборов разделительных и блокирующих конденсаторов: C1 0,1 мкФ, C2 1,0 мкФ, Cэ 50,0 мкФ; C1 1,0 мкФ, C2 1,0 мкФ, Cэ 50,0 мкФ. 6. Рассчитать в области высоких частот (малых времен) постоянную времени каскада в , верхнюю граничную частоту f в и время нарастания фронта tф при Rн 10 кОм для трех значений емкости нагрузки: Cн 100 пФ, Cн 500 пФ, Cн 1000 пФ. Учесть при этом, что для транзистора КТ312В следует принять f a 100 МГц, Cк 5 пФ. 7. Для схемы эмиттерного повторителя рассчитать в области низких частот (больших времен) постоянную времени н и нижнюю граничную частоту f н при Rн 10 кОм и емкостях разделительных конденсаторов: C1 0,1 мкФ, C2 1,0 мкФ; C1 1,0 мкФ, C2 1,0 мкФ. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Подготовить рабочее место и макет к исследованию: клеммы «Земля» всех необходимых приборов, макета, «–» источника питания соединить с помощью специального провода; соединить с макетом клемму «+» источника питания; включить все необходимые приборы; установить напряжение питания макета +10 В. 2. При помощи перемычек осуществить в макете все необходимые соединения (Rн= , конденсатор Сэ не подключен). 3. Потенциометр регулировки Uб установить в среднее положение. Подать на клемму Uг макета с генератора синусоидальный сигнал частотой 10 кГц. Увеличивая амплитуду входного сигнала, с помощью осциллографа наблюдать на выходе каскада появление нелинейных искажений. Изменяя режим каскада потенциометром, 42

наблюдать и зарисовать различные нелинейные искажения на выходе (одновременное ограничение сигнала сверху и снизу, ограничение только сверху и только снизу). 4. Установить режим наибольшего неискаженного сигнала на выходе. Определить с помощью осциллографа и цифрового вольтметра величину максимального неискаженного выходного сигнала и KU каскада при трех значениях Rн , 10 кОм, 1 кОм. 5. Отключить генератор от макета. Измерить постоянное напряжение на коллекторе. Установить на коллекторе значение напряжения, рассчитанное при подготовке к работе. Измерить напряжения на базе и эмиттере. Подсоединить конденсатор Сэ .и генератор синусоидального сигнала. С помощью осциллографа и цифрового вольтметра определить величину максимального неискаженного выходного сигнала при Rн 10 кОм. 6. Измерить KU каскада в области средних частот (f = 10 кГц) при Rн , Rн 10 кОм; Rн 1 кОм. 7. Измерив U вх (переменное напряжение на входе каскада) и U г (напряжение на выходе генератора), определить Rвх :

Rвх

U вх Rг , ( Rг 1 кОм ). U г U вх

Измерив U хх (выходное напряжение холостого хода при Rн ) и U н (напряжение на выходе при Rн 10 кОм), определить Rвых :

U хх 1 , ( Rн 10 кОм). Uн 8. Снять АЧХ при C1 C2 1,0 мкФ, Cэ 50мкФ, Rн 10 кОм, Cн 100 пФ. 9. Определить нижнюю граничную частоту f н для двух значений C1 : 0,1 и 1,0 мкФ ( Rн 10 кОм). 10. Определить верхнюю граничную частоту при трех значениях C н : 100, 500, 1000 пФ (100 пФ – входная емкость измерительного прибора, Rн 10 кОм). Rвых Rн

43

11. Используя в качестве U г импульсный генератор, встроенный в макет (тумблер в положении «ВЧ»), определить tф и рассчитать в при трех значениях C н : 100, 500, 1000 пФ. 12. Используя тот же генератор в режиме «НЧ», измерить н и для двух значений C1 : 0,1 и 1,0 мкФ. При малом спаде плоской вершины определить н по формуле: н

Tи

, для этого измерить Tи и .

13. Собрать на макете схему эмиттерного повторителя, шунтируя перемычкой сопротивление Rк и отключив конденсатор Сэ . Измерить KU каскада в области средних частот (f = 10 кГц) при , Rн 10 кОм; Rн 1 кОм. Rн Определить f н для двух значений C1 : 0,1 и 1,0 мкФ ( Rн 10 кОм) и f в ( Rн 10 кОм, Cн 100 пФ). Сравнить их с аналогичными параметрами для схемы с общим эмиттером. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Нарисуйте типовую схему усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ). 2. Укажите назначение основных элементов схемы усилительного каскада ОЭ. 3. Что такое рабочая точка? 4. Нарисуйте элементы схемы усилительного каскада, обеспечивающие режим транзистора по постоянному току. 5. Нарисуйте коллекторные характеристики транзистора и покажите на рисунке выбор рабочей точки. 6. Как изменится режим транзистора, если каждое из сопротивлений поочередно либо уменьшить, либо увеличить? 7. Дайте определение основным параметрам усилительного каскада. 8. Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику усилителя. 9. Назовите причины появления линейных и нелинейных искажений в усилительном каскаде. 44

10. Какими элементами определяется нижняя граничная частота каскада? 11. Какими элементами определяется верхняя граничная частота каскада? 12. Нарисуйте переходную характеристику усилителя в области больших времен и назовите параметры, характеризующие переходные искажения. 13. Какими элементами схемы определяется спад плоской вершины импульса? 14. Нарисуйте переходную характеристику каскада в области малых времен и назовите параметры, характеризующие переходные процессы. 15. Какими элементами схемы определяются переходные процессы в области малых времен? 16. Как можно повысить коэффициент усиления каскада ОЭ? 17. Как изменится коэффициент усиления по напряжению каскада ОЭ, если отключить конденсатор Сэ ? 18. Как проявляются нелинейные искажения в усилителе? 19. Нарисуйте амплитудную характеристику усилителя и покажите, как определяется динамический диапазон. 20. Нарисуйте схему эмиттерного повторителя (ЭП). 21. Нарисуйте элементы схемы ЭП, обеспечивающие режим транзистора по постоянному току. 22. Чем определяется входное сопротивление ЭП? 23. Почему коэффициент усиления по напряжению ЭП меньше 1? 24. Чем определяется выходное сопротивление ЭП? 25. Сравните основные параметры каскадов с ОЭ и ЭП. 26. Чему равно UВЫХ и UБ в схеме на рис. 2.9 (β = 50)? 27. Чему равно UБ и UК? В каком режиме работает транзистор в схеме на рис. 2.10? 28. Рассчитайте напряжение на выводах транзистора UБ, UЭ и UК (рис. 2.11). 29. Какова связь частотных и импульсных параметров?

45

Рис. 2.9

Рис. 2.10

Рис. 2.11

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с. 3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с. 4. Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с. 5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.1. – 2008. – 827 с.

46

Работа 3

УСИЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ МИКРОСХЕМ ОУ

Цель: изучение характеристик и параметров интегральных операционных усилителей и исследование цепей, выполненных на их основе. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ В настоящее время большинство электронных устройств можно выполнить на основе полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковой интегральной микросхемой (ИМС) является микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и изготовляемое групповым методом в приповерхностном слое полупроводника. В ИМС полупроводниковые элементы, выполняющие функции транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов и изготовляемые одновременно по интегральной технологии, разделены специальной изоляцией друг от друга внутри микросхемы и связаны между собой слоями металлизации, наносимыми на поверхность полупроводника. Большинство аналоговых электронных устройств, т.е. устройств, работающих с непрерывно изменяющимися во времени электрическими сигналами, можно выполнить на основе кремниевых микросхем операционных усилителей (ОУ), которыми принято называть усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенные главным образом для использования в цепях с отрицательной обратной связью. ОУ являются наиболее универсальными и многофункциональными аналоговыми микросхемами, которые широко используются в различных электронных устройствах, служащих для преобразования, генерации и обработ47

ки сигналов. В лабораторной работе исследуются различные усилители, выполненные на основе микросхем ОУ. Краткие сведения о микросхемах ОУ ОУ (рис. 3.1), выполненный в виде полупроводниковой интегральной микросхемы, обычно имеет дифференциальный вход и один выход. Один из входов ОУ – инвертирующий, другой – неинвертирующий. При подаче сигнала положительной полярности на инвертирующий вход на выходе появляется сигнал отрицательной полярности; при подаче сигнала положительной полярности на неинвертирующий вход на выходе появляется сигнал также положительной полярности. Рис. 3.1. Обозначение операционного усилителя в схемах: 1 – инвертирующий вход; 2 – неинвертирующий вход; 3 – выход

Для приведенной схемы U 3 K (U 2 U1 ) , где К – коэффициент усиления ОУ. В интегральных ОУ обеспечивается большой коэффициент усиления по постоянному току ( K 104 ), большое входное ( Rвх 106 Ом) и малое выходное ( Rвых 103 Ом) сопротивления. Интегральный ОУ обычно состоит из двух-трех усилительных каскадов, причем первый каскад является дифференциальным, усиливающим разность входных сигналов. Схема простейшего дифференциального усилительного каскада на n-p-n транзисторах приведена на рис.3.2. Основными транзисторами, обеспечивающими усиление разности двух входных напряжений U1 и U 2 , являются транзисторы T1 и T2 . Режимный ток в транзисторы T1 и T2 задается от генератора постоянного тока, выполненного на транзисторе T3 и резисторах R3 R5 . Выходной сигнал, усиленный транзисторами T1 и T2 , снимается с равных коллекторных сопротивлений R1 R2 R . Питание усилительного каскада осуществляется 48

от двух источников постоянного напряжения E1 E2 ).

E1 и

E2 (обычно

Рис. 3.2. Схема дифференциального усилительного каскада

Следует отметить, что при присоединении обоих входов транзисторов T1 и T2 к общей шине («земле») напряжение на выходе, измеряемое между коллекторами транзисторов T1 и T2 , будет близко к нулю. Это связано со свойствами интегральных транзисторов T1 и T2 , а также резисторов R1 и R2 , которые благодаря их исполнению в едином технологическом процессе на одном кристалле полупроводника, одинаковой геометрии и близкому расположению имеют практически одинаковые параметры. Именно поэтому коллекторный ток транзистора T3 делится практически на две равные части: эмиттерные токи транзиторов T1 и T2 равны половине тока коллектора транзистора T3 . Коллекторные токи транзисторов T1 и T2 , практически равные эмиттерным токам ( >> 1), протекая по равным сопротивлениям R1 , R2 , создают одинаковые напряжения на коллекторах транзисторов. Поэтому в идеальном случае U вых U к1 U к2 будет равно 0. Ситуация не изменится, если мы подадим на входы дифференциального каскада равные напряжения U1 и U 2 : ток транзистора 49

T3 из-за симметрии схемы будет также делиться пополам. Если одно из положительных напряжений будет больше другого (например, U1 U 2 ), то коллекторный ток транзистора T1 будет больше коллекторного тока транзистора T2 . Расчет показывает, что при U1 U 2 0,1 В коллекторный ток транзистора T1 уже более, чем в 54 раза превышает ток транзистора T2 , который, в свою очередь, составит всего 1,8 % от коллекторного тока транзистора T3 . Разность токов транзисторов T1 и T2 обеспечивает появление напряжения на выходе дифференциального каскада. В качестве выходного каскада в интегральном ОУ обычно используется каскад, содержащий эмиттерный повторитель. Простейший вариант такого каскада, выполненного на транзисторах np-n ( T1 и T3 ) и транзисторе p-n-p ( T2 ) приведен на рис. 3.3. (Обозначение источников питания E1 и E2 по сравнению со схемой на рис.3.2 упрощено.) На транзисторе T3 реализован каскад с общим эмиттером, который управляет токами транзисторов T1 и T2 . Диоды Д1 и Д 2 , находящиеся все время в открытом состоянии (через них протекает режимный ток транзистора T3 ), обеспечивают при отсутствии входного сигнала работу транзисторов T1 и T2 в активной области. Если на вход подана отрицательная полуволна синусоидального напряжения, на коллекторе транзистора T3 она инвертируется, транзистор T1 открывается, и ток в нагрузку протекает от источника E1 (ток I1 на рис. 3.3). При подаче положительной полуволны открывается транзистор T2 , и ток в нагрузку протекает от источника напряжения E2 (ток I 2 на рис. 3.3). Схема интегрального операционного усилителя кроме входного и выходного каскадов (каждый из которых выполняется по более сложным схемам, чем приведенные на рис. 3.2 и 3.3) содержит дополнительно источники постоянного напряжения и тока, цепи смещения, коррекции, защиты от перегрузок и коротких замыканий и т.д. 50

Рис. 3.3. Схема выходного каскада ОУ

Операционный усилитель характеризуется более чем 30 параметрами. Кроме названных параметров: коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений, приведем еще ряд наиболее важных основных параметров. Напряжение смещения U см . Это такое напряжение, которое нужно подать между входами 1 и 2 (см. рис. 3.1), чтобы напряжение на выходе равнялось нулю. В идеальном ОУ при присоединении входов 1 и 2 к общей шине напряжение на выходе должно быть равным нулю. Однако из-за небольшой несимметрии входного дифференциального каскада на выходе появляется постоянное напряжение. Чтобы уменьшить его до нуля, нужно подать на вход дополнительное напряжение, которое будет равно напряжению смещения. Входные токи I вх – токи входных транзисторов, работающих в линейном режиме. При использовании на входе каскада на биполярных транзисторах – это их базовые токи. При выполнении входного каскада на полевых транзисторах входные токи – это токи закрытых p-n переходов или токи утечки. Разность входных токов I вх – это разность между входными токами, обусловленная несимметрией входного каскада. Ток потребления I п – постоянный ток, протекающий через источники питания E1 и E2 при отсутствии входного сигнала. 51

Частота единичного усиления f1 – частота, при которой коэффициент усиления становится равным 1. В настоящее время чаще всего используют ОУ с внутренней цепью коррекции. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) таких усилителей приведена на рис. 3.4 (характеристика 1). Такая АЧХ позволяет использовать ОУ при любой глубине отрицательной обратной связи. При введении отрицательной обратной связи АЧХ усилителя изменяется: уменьшается коэффициент усиления, но увеличивается f вос – верхняя граничная частота, определяемая по уровню уменьшения коэффициента усиления на 3 дБ (характеристика 2).

Рис. 3.4. АЧХ ОУ без отрицательной обратной связи (1) и с ней (2)

Минимальное сопротивление нагрузки Rн – такое сопротивление, при котором максимальное напряжение на выходе практически не уменьшается. На рис. 3.5 приведены амплитудные характеристики ОУ при Rн и конечном сопротивлении нагрузки. Из приведенной характеристики видно, что максимальное напряжение на выходе ( Rн ) близко к E1 или E2 и уменьшается при уменьшении сопротивления нагрузки. Кроме названных параметров ОУ характеризуется еще следующими параметрами: максимально допустимыми напряжениями, которые можно подать на его входы; скоростью нарастания выход52

ного напряжения, определяемой при подаче на вход импульса напряжения; шумовыми токами и напряжениями; температурными коэффициентами изменения напряжения смещения и входных токов и др.

Рис. 3.5. Амплитудные характеристики ОУ при разных сопротивлениях нагрузки и подаче входного напряжения на неинвертирующий вход

В таблице приведены основные параметры микросхем типовых операционных усилителей К140УД8, К140УД7 и К140УД1208, используемого в макете лабораторной работы. Параметр К140УД8 К140УД7 К140УД1208

Rвх , Ом

K 3

10

3

0,4 10

3

5 10

50 10

30 10 50 10

7

6

6

Rвых , U см , Ом мВ 75 20

I вх , нА 0,2

I вх , I п , f1 , Rн , нА мА мГц кОм 0,15 5 1 2

200

9

400

200

2,8

0,8

2

1000

6

50

28

0,17

1

5

В приведенных параметрах Rн – такое минимальное сопротивление резистора нагрузки ОУ, которое приводит лишь к небольшому (порядка нескольких процентов) уменьшению модулей максимального и минимального напряжения на выходе ОУ. 53

Расчет усилителей на основе ОУ Инвертирующий усилитель. Все усилители, выполненные на основе микросхем ОУ, охватываются отрицательной обратной связью, что обеспечивает работу ОУ в линейном режиме. Полагая при этом, что ОУ идеален, для упрощенных, но достаточно точных расчетов можно использовать принцип «мнимой земли». Рассмотрим для примера схему инвертирующего усилителя (рис.3.6).

Рис. 3.6. Схема усилителя – инвертора на ОУ

Для идеального ОУ К = , Rвх и Rвых 0 . При этом, поскольку U вых в линейном режиме не может быть больше напряжения питания, получаем, что U вх 0 , поскольку U вых KUвх и

U вх

U вых . Равенство нулю напряжения на инвертирующем вхоK

де при заземленном неинвертирующем входе позволяет считать, что инвертирующий вход ОУ как бы «заземлен». Но «заземление» это мнимое или виртуальное. Ток от входного генератора течет только по сопротивлениям обратной связи, не ответвляясь на вход ОУ. Действительно, если бы любая даже самая незначительная часть тока входного генератора пошла бы на вход ОУ, то поскольку К = ∞ и Rвх нарушилось бы условие U вх 0 . Исходя из сказанного, легко составить уравнение для расчета коэффициента усиления схемы:

I

Uг R1

U вых , K ос R2

U вых Uг

R2 . R1

(3.1)

Неинвертирующий усилитель. Используем свойства идеального ОУ, работающего в линейном режиме, для расчета неинвертирующего усилителя (рис. 3.7). Из идеальности ОУ следует, что 54

напряжения на инвертирующем входе U вх и неинвертирующем входе U г равны.

Рис. 3.7. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Отсюда, учитывая принцип «мнимой земли», получим

I а

U вых R1 R2

Kос 1

U вх , R1

R2 . R1

(3.2)

Инвертирующий сумматор. Схема инвертирующего сумматора на ОУ представлена на рис.3.8. Суть работы инвертирующего сумматора аналогична работе инвертирующего усилителя на ОУ. В данном случае ток ОС является суммой входных токов. Таким образом, U вых I ос R2 , n i 1

Uг R1

R Uг 2 R1

R Uг 2 R1

I ос

I вх i

U вых и при R1

R1 ... R1n

Uвых

Uг R1

...

U гn R1n

,

R ... U гn 2 , R1n

(3.3)

R2

Uг Uг ... Uгn .

55

(3.4)

Рис. 3.8. Схема инвертирующего сумматора на ОУ

Интегратор на ОУ получается при включении в цепь ОС инвертирующего усилителя вместо резистора R2 конденсатора С (рис. 3.9). В этом случае по принципу «мнимой земли» U вх 0 , а

U вых

Uc

Qc , I вх I с , где Qc – заряд на конденсаторе. C

Рис. 3.9. Схема интегратора на ОУ

При подаче на вход напряжения, изменяющегося во времени

U г (t ) , получаем I вх (t ) I с (t )

U г (t ) . R

t

Учитывая, что Qc

I c (t ) dt , получаем 0 t

U вых

1 I (t ) dt C 0 c 56

t

1 U (t ) dt . R1C 0 г

(3.5)

При U г

const, U вых

Uгt получаем формирователь лиR1C

нейно изменяющегося напряжения. Если на вход интегратора подается синусоидальное напряжение с частотой , то подставляя в (3.1) вместо R2 реактивное сопротивление емкости С Z c

U вых

1 , получаем j C U г jU г j CR

CR1

,

(3.6)

т.е. фазовый сдвиг между напряжением на выходе и напряжением на входе составляют 90 . Избирательный усилитель. Рассмотренные выше усилители, сумматор и интегратор имеют достаточно плавную амплитудночастотную характеристику, определяемую либо частотными свойствами ОУ, либо, в случае интегратора, зависимостью реактивного сопротивления емкости от частоты. Если цепь обратной связи сделать частотно-зависимой, то можно получить амплитудно-частотную характеристику, обеспечивающую преимущественное усиление сигналов в узкой полосе частот. Такие усилители называются узкополосными или избирательными. Схема избирательного усилителя с мостом Вина приведена на рис. 3.10. Расчет схемы произведен с учетом идеальности ОУ.

Рис. 3.10. Схема избирательного усилителя на ОУ с использованием моста Вина 57

Предположим, что коэффициент передачи цепи положительной обратной связи, осуществляемый RC-цепями с выхода ОУ на его неинвертирующий вход, равен ( j ) . В этом случае справедливы следующие соотношения:

U г

( j )U вых R1

( j )U вых U вых . R2

I

(3.7)

(Здесь учтено, что напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ равны между собой и равны ( j )U вых .) Из (3.7) следует, что

R2 R1

U вых K ос ( j ) U г

R2 (j ) 1 R1

1

.

(3.8)

Коэффициент передачи ( j ) , определяемый как отношение напряжения на неинвертирующем входе к напряжению на выходе, нетрудно найти, учитывая, что реактивные сопротивления емкостей равны Z c

1 : j C

j

(j )

2 2

1 3j

, где = RC

(3.9).

Подставляя (3.9) в (3.8), получаем

U вых K ос ( j ) U г

R2 R1

Из (3.10) следует, что при равен

R2 , а при условии R1

K ос ( j )

1 3j R2 2 j R1

1

=0и

1 p

.

(3.10)

2 2

коэффициент передачи

получаем

R2 R1 58

=

2 2

3 . R2 2 R1

(3.11)

Очевидно, что K ос ( j ) больше, чем коэффициент передачи на частотах =0 и = , т.е. АЧХ усилителя имеет выброс (рис. 3.11). Добротность избирательного усилителя Q можно определить по формуле: p

Q где

p – частота резонанса, а

,

– полоса частот, определяемая по

уровню 0,707 от K ос ( j р ) .

Рис. 3.11. Амплитудно-частотная характеристика избирательного усилителя

Нетрудно заметить, что при R2

2R1 K ос ( j р ) = ∞.

Это соответствует условию самовозбуждения усилителя. Самовозбуждение усилителя означает, что на выходе его, даже при отсутствии входного сигнала, появится синусоидальный (или близкий к синусоидальному) сигнал с частотой, равной частоте резонанса избирательного усилителя. Таким образом, если резистор R1 при выполнении условия R2 2R1 соединить с общей шиной (см. рис.3.10), то возникнут синусоидальные колебания с резонансной частотой моста Вина.

59

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Схема макета приведена на рис.3.12. Макет предназначен для построения и исследования рассмотренных устройств, которые могут быть получены при соответствующем включении перемычек. Для питания ОУ применяют два источника с напряжениями 0…+10 и 0…–10 В. В макете расположен встроенный формирователь импульсов, необходимый для исследования сумматора и интегратора. Управляющим сигналом формирователя служит синусоидальный сигнал U г с амплитудой 2-3 В. Формирователь начинает работать при подаче на клемму макета синусоидального сигнала, примерно равного 2…3 В. Форма сигнала на выходе U г ¯ показана на рис.3.13.

Рис. 3.12. Лицевая панель лабораторного макета 60

В качестве источника входного синусоидального сигнала используют генераторы ГЗ-33 или ГЗ-56. Визуальное наблюдение сигнала производится с помощью осциллографа, а измерения с помощью цифрового вольтметра.

Рис. 3.13. Форма и параметры входного и выходного сигналов формирователя импульсов

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Изучить описание лабораторной работы. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Рассчитать параметры инвертирующего усилителя. По формуле (3.1) определить коэффициент усиления K ос для всех сочетаний R1 и R2 макета (см. рис.2.12) R1 5,1; 1 кОм; R2 510; 51; 5,1 кОм. 4. Рассчитать параметры неинвертирующего усилителя. Определить коэффициенты усиления при следующих наборах резисторов цепи ОС: R1 5,1; 1 кОм; R2 510; 51; 5,1; 0 кОм. 5. Провести анализ работы инвертирующего сумматора. При входных сигналах (см. рис.3.13) и R1 R1 R2 5,1 кОм построить временные диаграммы изменения напряжения на выходе сумматора. При построении полагать, что на один из входов инвер61

тирующего сумматора подается синусоидальный сигнал с амплитудой 2 В, а на другой – прямоугольный, показанный на рис.3.13. 6. Провести анализ работы интегратора. Построить временные диаграммы изменения напряжения на выходе интегратора при входных сигналах: U г и U г ¯ (см. рис.3.13) при R1 5,1 кОм; С0 0,1 мкФ. 7. Рассчитать параметры избирательного усилителя. Определить резонансную частоту при следующих параметрах: R = 1 кОм; С = 0,1 мкФ. Рассчитать коэффициент усиления на резонансной частоте при условии R2 1,5R1 .

Рис. 3.14. Схема подключения питания

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Подготовить рабочее место. Подключить макет к источнику питания (см. схему включения на рис.3.14), установив предварительно напряжение Е = 10 В на каждом выходе источника постоянного напряжения. 2. Включением перемычек собрать инвертирующий усилитель. С помощью двух каналов осциллографа наблюдать на выходе усилителя инверсию входного сигнала. В области средних частот 62

(f = 1 кГц), подавая на вход U г синусоидальное напряжение, определить коэффициент усиления K ос для всех сочетаний R1 и R2 макета. Сравнить с расчетом. 3. Собрать неинвертирующий усилитель. Определить K ос для всех возможных сочетаний резисторов R1 и R2 макета. Для всех сочетаний R1 и R2 измерить верхнюю граничную частоту неинвертирующего усилителя и построить график зависимости fвос = F(Kос) в логарифмическом масштабе. Сравнить полученные значения с расчетом. 4. Собрать инвертирующий сумматор. Подавая на входы соответствующие сигналы (см. рис. 3.13), зарисовать осциллограммы входных и выходных напряжений сумматоров, используя осциллограф в двухканальном режиме. Сравнить с построенной зависимостью, объяснить расхождения. 5. Собрать интегратор с R1 5,1 кОм; С0 0,1 мкФ. Если дрейф выходного напряжения велик, необходимо его уменьшить, включив резистор R2 величиной 510 кОм параллельно С 0 . Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения при синусоидальном и импульсном входном сигнале. Сравнить с теоретически построенными диаграммами, объяснить расхождения. 6. Исследовать работу избирательного RC-усилителя с мостом Вина. С этой целью предварительно установить коэффициент усиления инвертирующего усилителя равным 1,5, используя в цепи обратной связи переменное сопротивление R2 и изменяя его значение с помощью выведенного на лицевую панель потенциометра «регулировки усиления». Затем присоединить цепь положительной обратной связи и убедиться в том, что АЧХ усилителя имеет резонанс. Измерить резонансную частоту и коэффициент усиления на резонансной частоте и сравнить их с расчетными значениями. Рассчитать также добротность усилителя после измерения f н и f в . 7. Исследовать работу генератора синусоидального напряжения. С этой целью установить коэффициент усиления инвертирующего усилителя чуть более 2, т.е. обеспечить выполнение условия R2 2R1 . Затем присоединить цепь положительной обратной свя63

зи, а резистор R1 соединить с общей шиной. Зарисовать осциллограмму сигнала на выходе и измерить частоту и амплитуду сигнала. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое интегральная микросхема? 2. Что такое операционный усилитель? 3. Какими свойствами обладает идеальный ОУ? 4. Чем реальный ОУ отличается от идеального? 5. Какие каскады используются на входе ОУ? 6. Как работает дифференциальный усилительный каскад? 7. Какие каскады используются на выходе ОУ? 8. Как работает выходной каскад ОУ? 9. Как использовать свойства идеального ОУ для расчета схем? 10. Как влияет сопротивление нагрузки на характеристики усилителя? 11. Нарисуйте АЧХ усилителя без отрицательной обратной связи и при ее введении. 12. Какими параметрами характеризуется ОУ? 13. Что такое инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ? 14. Нарисуйте амплитудную характеристику ОУ. 15. В чем состоит принцип «мнимой земли»? 16. При каких условиях можно использовать принцип «мнимой земли»? 17. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя на ОУ. Чему равен его коэффициент усиления? 18. Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя на ОУ. Чему равен его коэффициент усиления? 19. Как можно сделать повторитель напряжения, используя ОУ? 20. Нарисуйте схему инвертирующего сумматора на ОУ. Чему равно его выходное напряжение? 21. Нарисуйте схему интегратора на ОУ и вид напряжения на его выходе при подаче на вход положительного импульса напряжения. 22. Какое напряжение будет на выходе интегратора, если на его вход подать синусоидальное напряжение? 23. Нарисуйте схему избирательного усилителя с мостом Вина. 64

24. Чем определяется резонансная частота усилителя с мостом Вина? 25. Какие элементы определяют коэффициент усиления схемы на частоте резонанса? 26. Что такое добротность избирательного усилителя и как она определяется? 27. Что такое самовозбуждение усилителя? 28. Каково условие самовозбуждения с мостом Вина? 29. Чему будет равна частота генерации генератора с мостом Вина? 30. Какое напряжение будет на выходе ОУ (рис. 3.15)? 31. Нарисуйте АЧХ схемы (рис. 3.16).

Рис. 3.15

Рис. 3.16

32. Чему равно UВЫХ (рис. 3.17)? 33. Определите напряжение на выходе цепи, если ОУ идеальный и реальный (рис. 3.18).

Рис. 3.17

Рис. 3.18

34. Нарисуйте UВЫХ = f (t) при подаче на вход цепи одиночного прямоугольного импульса (рис. 3.19).

65

Рис. 3.19

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с. 3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с. 4. Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. 5. Масленников В.В. Микросхемы операционных усилителей и их применение. – М.: МИФИ, 2009. 6. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – 2-е изд. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 488 с.

66

Работа 4

ЦИФРОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Цель: исследование логических элементов основных типов, их параметров, характеристик и способов использования в электронных устройствах. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Цифровые логические элементы в виде интегральных микросхем (ИМС) предназначены для преобразования и обработки цифровых сигналов. Существует несколько простейших логических функций, которые можно реализовать с помощью одного или нескольких логических элементов. Основные из них приведены в табл. 4.1. В зависимости от технологии изготовления логические ИМС делятся на серии, отличающиеся схемотехникой, технологией изготовления, набором элементов, напряжением питания, параметрами и др. В данной работе изучаются логические элементы (ЛЭ), наиболее широко используемые в настоящее время в аппаратуре – транзисторно-транзисторные ЛЭ (ТТЛ) и ЛЭ на комплементарных (взаимодополняющих) МОП-транзисторах (КМОП). Одна из наиболее простых схем элемента ТТЛ представлена в левой верхней части лабораторного макета (рис. 4.12) она содержит многоэмиттерный транзистор (МЭТ) VT1 и сложный инвертор, построенный на транзисторах VT2, VT3, VT4, благодаря которому обеспечиваются высокие нагрузочная способность и быстродействие элемента.

67

Таблица 4.1 Элемент

Таблица истинности

Выполняемая функция и ее обозначение

НЕ Инверсия

И Логическое умножение (конъюнкция)

ИЛИ Логическое сложение (дизъюнкция)

Исключающее ИЛИ Сложение по модулю «2»

ИЛИ-НЕ Отрицание дизъюнкции

И-НЕ Отрицание конъюнкции 68

Продолжение табл. 4.1 Элемент

Таблица истинности

Выполняемая функция и ее обозначение

И-ИЛИ

При подаче на входы (эмиттеры МЭТ) низкого уровня потенциала – «0» база-эмиттерные переходы VT1 смещены в прямом направлении, ток от U ип через резистор R1 течет почти весь в цепь эмиттеров, а транзисторы VT2 и VT4 закрываются, так как напряжение на базе многоэмиттерного транзистора (~0,7 В) недостаточно, чтобы открыть соединенные последовательно коллекторный переход этого транзистора и эмиттерные переходы транзисторов VT2 и VT4. При этом транзистор VT3 открыт и работает как эмиттерный повторитель, а VT4 закрыт и на выходе элемента устанавливается высокий уровень потенциала. При подаче «1» только на один вход ничего не изменяется и лишь при подаче высокого уровня потенциала – «1» на все входы, эмиттерные переходы VT1 закрываются, а коллекторный переход смещается в прямом направлении. Ток от U ип через открытый коллекторный переход VT1 открывает транзистор VT2, а он в свою очередь открывает VT4; при этом транзистор VT3 закрывается. Так как транзистор VT4 открыт, то на выходе устанавливается низкий уровень потенциала – «0». Таким образом, этот элемент выполняет логическую операцию ИНЕ (см. табл.4.1). Необходимо отметить, что при переключении элемента из «0» в «1» транзистор VT4 в первый момент еще не успевает закрыться, а VT3 уже открылся. В результате возникает, хотя и на небольшое время, довольно значительный сквозной ток. Для его уменьшения в схему включены резистор R3 и диод VD2. Достоинством элементов ТТЛ являются достаточно хорошие временные параметры, простота изготовления и использования, а 69

недостатком – большой сквозной ток при переключении и, как следствие, зависимость потребляемой мощности от частоты. Кроме того, сквозной выходной ток в момент переключения вызывает наводки по цепям питания элемента. В работе изучаются два типа ТТЛ элементов – серии К155 (собственно ТТЛ) и серии К555 (ТТЛш). Элементы ТТЛш с транзисторами Шоттки за счет исключения глубокого насыщения транзисторов ЛЭ имеют более высокое быстродействие при одинаковой потребляемой мощности по сравнению с логическими элементами ТТЛ или же при одинаковом быстродействии (табл. 4.2) – меньшую потребляемую мощность. Таблица 4.2 К155 (ТТЛ)

Серии ИМС К555 (ТТЛш)

564

5,0 10 %

5,0 10 %

3 15

10

2

0

–1,6

–0,36

0

I вх , мА

1

0,04

0,02

0

0

0.8

0,8

0,5

U вх.мин , В

1

2,0

2,0

U вых , В, не более

0,4

0,5

1 , В, не менее Uвых

2,4

2,7

1

0,3

1,0

2,0

Rвых , кОм

0

0,01

0,02

0,2

t з. ср , нс

18

19

Т, С

–40 +85

–40 +85

Параметры ИМС

U

ип

,В

Pпот , мВт в ст. режиме

I вх , мА

U вх.макс , В

0

Rвых , кОм

0,1 10

U

ип

3

2,0

0,05

U

ип

60 ( U

0,05

ип

5 В)

–60 +125

Широкое распространение получила также КМОП-логика, базовый элемент которой представлен на рис. 4.1. 70

Рис. 4.1. Схема ЛЭ

серии 564

В ИМС, выполненных по технологии КМОП, в качестве базового элемента используются ключевые схемы, построенные на комплементарных МОП-транзисторах. На рис. 4.1 приведена схема логического элемента И-НЕ. Эта схема состоит из двух пар ключей на МДП транзисторах с индуцированным каналом разной проводимости VT1, VT3 и VT2, VT4. При подаче сигналов X1 X 2 1 ключи на транзисторах VT1 и VT2 закрываются, а ключи на транзисторах VT3 и VT4 открываются, т.е. в них возникают каналы с малым сопротивлением. В результате на выходе микросхемы устанавливается логический «0». При подаче на какой-нибудь вход (например, X 2 ) низкого уровня потенциала X 2 0 – VT1 открывается, а VT3 закрывается и на выходе – логическая «1». Таким образом, этот элемент выполняет логическую операцию И-НЕ. В работе исследуется ЛЭ 564 серии. Параметры ЛЭ, выполненные на КМОП-структурах, близки к идеальным: в статическом режиме они практически не потребляют электрическую энергию, имеют очень большое входное и малое выходное сопротивления, высокую помехозащищенность, большую нагрузочную способность, довольно высокое быстродействие, 1 хорошую температурную стабильность. Выходной сигнал U вых практически равен напряжению питания. Высокая плотность компановки обеспечивает преимущественное использование КМОП ЛЭ в больших интегральных схемах. Устойчивая работа КМОПструктур в широком диапазоне питающих напряжений (от 3 до 15 В) позволяет использовать разные источники питания, а также 71

сопрягать ЛЭ по входам и выходам с микросхемами ТТЛ и операционными усилителями. Недостаток серийных КМОП-устройств по сравнению с ТТЛ – несколько меньшее быстродействие ( FP 3 5 МГц). Характеристики и параметры логических элементов При разработке цифровых устройств необходимо знать основные статические и динамические параметры используемых логических интегральных микросхем (ИМС): выходные напряжения «0» и 0 и 1 , входные токи 0 и 1 , пороговое напряжение «1» U вых I вх I вх U вых Vпор , число входов (коэффициент объединения по входу K об ), нагрузочную способность n (коэффициент разветвления по выходу K раз ), помехоустойчивость U пом , задержку распространения сигнала при включении t1з,0 и выключении t з0,1

t з.ср

t з0,1 t1з,0 , 2

потребляемую мощность Pпот и некоторые другие. Параметры исследуемых в работе ИМС приведены в табл. 4.2. Эти параметры позволяют определить особенности каждой серии и дают общую ориентацию при выборе элементной базы на этапе разработки. Большинство параметров ЛЭ определяется с помощью статических и переходных характеристик, которые ниже приведены для ТТЛ инвертора (серия К155), как наиболее часто используемого ЛЭ. Схема измерения входного тока Iвх при соответствующем входном напряжении показана на рис. 4.2, а. На основе данных, полученных при измерениях для разных входных напряжений, строится входная характеристика I вх f (U вх ) логического элемента, изображенная на рис. 4.2, б. Она позволяет определить входные токи 0 и 1 при соответствующих входных напряжениях. I вх I вх

Аналогично определяются выходные характеристики 0 1 Uвых f (Iвых ) и Uвых f (Iвых ) (рис. 4.3). Входные и выходные характеристики позволяют правильно использовать ЛЭ в устройствах, особенно при одновременном ис72

пользовании элементов различных серий и типов (например, ТТЛ и КМОП). Определив входные и выходные токи в состояниях U 0 и

U 1 , можно рассчитать допустимую нагрузочную способность используемых микросхем. Она определяется как максимальное количество входов других элементов n, которое можно подключить к выходу данного элемента при сохранении уровней выходного напряжения в пределах допустимого для состояний «0» и «1».

Рис. 4.2. Схема измерения входного тока (а), входная характеристика ЛЭ ТТЛ (б)

а) б) Рис. 4.3. Выходные характеристики ЛЭ ТТЛ

Передаточная характеристика U вых f (U вх ) (рис. 4.4) позво1 , 0 , ляет определить целый ряд параметров: U вых U вых U пом , U пом , Vпор .

73

Переходная характеристика U вых f (U вх ) (рис. 4.5), снимаемая экспериментально с помощью двухканального осциллографа, используется для определения быстродействия ЛЭ. Время задержки измеряется относительно уровня порогового напряжения.

Рис. 4.4. Передаточная характеристика ЛЭ ТТЛ

Рис. 4.5. Переходная характеристика ЛЭ

Остальные параметры ЛЭ определяются расcчетно или экспериментально различными способами. Применение ЛЭ В цифровых устройствах логические элементы используются для реализации сложных логических функций. Кроме того, ЛЭ используются для конструирования импульсных и линейных устройств. Импульсные устройства выполняются на ЛЭ в том случае, когда необходимо получить высокое быстродействие. В данной работе изучается мультивибратор, выполненный на трех ЛЭ ТТЛ типа (рис. 4.6).

74

Рис. 4.6. Мультивибратор на ЛЭ

В данном устройстве первый элемент за счет отрицательной обратной связи (R1) работает в линейном режиме. Колебания возникают и поддерживаются за счет положительной обратной связи (С1). Частоту выходных импульсов (при R1 = 390 Ом) можно определить по приближенной формуле:

1000 , C1 где С1 – емкость конденсатора, нФ; Fг – частота, кГц. Fг

Триггеры Помимо логических элементов, реализующих основные логические функции, большое значение в качестве базовых элементов цифровой техники имеют триггеры – элементы, имеющие два устойчивых состояния и предназначенные, главным образом, для хранения одного бита информации. По способу записи информации триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные. Запись информации в асинхронные триггеры осуществляется непосредственно при поступлении информационных сигналов на его входы, тогда как в синхронных изменение состояния происходит только в момент действия синхронизирующих импульсов. По функциональному признаку триггеры подразделяют на RS-, D-, Т-, DV-, JK-триггеры. В зависимости от комбинации сигналов на входе, на выходе триггера возможны пять состояний: 0, 1, Q n ,

Q n , Х, причем Q n означает, что на выходе триггер не меняет своего состояния, Q n – изменяет на противоположное, Х – состояние на выходе не определено. 75

Простейший асинхронный триггер RS-типа получается при охвате двух элементов типа И-НЕ или ИЛИ-НЕ положительными обратными связями (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Асинхронный RS-триггер: а – на элементах И-НЕ; б – на элементах ИЛИ-НЕ

На рис. 4.8 представлена схема синхронного RS-триггера и его обозначение. Запись информации в триггер такого типа происходит при наличии разрешающего сигнала («1») на входе С. Сигналы на выходе определяются таблицей истинности (табл. 4.3). Недостатком RS-триггера является неопределенное состояние на выходе при подаче на оба входа сигналов «1», что затрудняет его использование в цифровых устройствах.

Рис. 4.8. Синхронный RS-триггер (а) и его обозначение (б) Таблица 4.3 n 1

S

R

0

0

Q

1 0 1

0 1 1

1 0 Х

76

Q

n

D-триггер, или триггер задержки ( -задержка) при поступлении синхросигнала на вход С устанавливается в состояние, соответствующее потенциалу на входе D. Таким образом выходной сигнал Q изменяется не сразу после изменения входного сигнала D, а только с приходом синхронизирующего импульса, т.е. с задержкой на один период импульсов. Обозначение синхронного D-триггера (триггера-защелка) представлено на рис. 4.9. Т-триггер, или счетный триггер (рис. 4.11, б), изменяет состояние выхода на противоположное Рис. 4.9. Синпо переднему или заднему фронту синхронизихронный Dрующего импульса, поступающего на вход С. триггер Наиболее широко в цифровой технике используются JK-триггеры, особенностью которых является универсальность. На рис.4.10 показано обозначение и таблица истинности JK-триггера.

Рис. 4.10. JK-триггер (а) и его таблица истинности (б)

Как видно из таблицы истинности JK-триггер имеет два информационных входа. Однако в отличие от RS-триггера, в нем разрешена подача на вход J K 1 . При этом на выходах триггера состояние меняется на противоположное. Универсальность JKтриггеров определяется тем, что они могут при соответствующем включении выполнять функции триггеров других типов. На рис. 4.11 показано использование JK-триггера в качестве D – (см. рис. 4.11, а) и Т – (см. рис. 4.11, б) триггеров. Рис. 4.11. Некоторые включения на основе JK-триггера: а – Dтриггер; б – Т – триггер 77

Триггеры в цифровых устройствах используются и как самостоятельные изделия, и как компоненты более сложных интегральных микросхем последовательностного типа (регистры, счетчики, оперативные запоминающие устройства). ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Лицевая панель макета для изучения ЛЭ и некоторых устройств на их основе представлена на рис. 4.12. Питание макета осуществляется от внешнего источника напряжением 5,0 В. Необходимые для исследования регулируемые формирователи напряжения встроены в макет. Там же расположен мультивибратор, предназначенный для определения динамических параметров ЛЭ. Кроме

U ип 5 В никакие сигналы на макет не подаются. Правая часть макета в лабораторной работе не используется. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Изучить по описанию и рекомендуемой литературе принцип работы и основные параметры ЛЭ. Ответить на контрольные вопросы. 2. Рассчитать потенциальную карту элемента ТТЛ, представленного на макета, т.е. напряжения в точках, отмеченных кружочками, 1 (см. рис. 4.12) для двух вариантов U вх : X1 X 2 U вх и 0 (U X1 X 2 U вх бэ и U д открытых транзистора и диода считать равными 0,7 В). 3. Для указанных на макете параметров элементов рассчитать частоты выходных импульсов мультивибратора. 4. Предложить схему на логических элементах И-НЕ, выполняющую логическую функцию ИЛИ. 5. Определить нагрузочную способность элемента 564 серии, управляющего элементами серии 555.

78

79

Рис. 4.12. Лицевая панель макета

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Снять потенциальную карту элемента ТТЛ, представленного на макете для состояний «0» и «1» на выходе. Сравнить с расчетом. 2. Снять передаточные характеристики элементов 1, 2, 3 (см. рис.4.12) серий К155, К555, 564 соответственно. Объяснить особенности. 3. Определить максимальную нагрузочную способность элемента серий 564, управляющего элементами серии 555. 4. На элементах 7, 8, 9 (см. рис.4.12) собрать мультивибратор. Определить параметры выходного сигнала для различных С. Сравнить с расчетом. 5. На элементах 1, 4 или 2, 5, или 3, 6 (см. рис.4.12) собрать асинхронный RS-триггер, представленный на рис.4.7, а. Проверить таблицу истинности. 6. Используя мультивибратор в качестве входного генератора определить: временные параметры элементов 1, 2, 3; используя двухканальный осциллограф для снятия переходной характеристики, зависимость потребляемой элементом мощности от частоты переключения (элемент 2). Для расчета потребляемой мощности необходимо измерить значения напряжения питания и потребляемого тока при различных частотах переключения. В этом случае напряжение питания подается на микросхему через резистор величиной 1 кОм, встроенный в макет, и ток потребления определяется по падению напряжения на резисторе. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Приведите таблицы истинности всех логических операций, приведенных в описании. 2. Нарисуйте схему элемента ТТЛ. 3. Укажите основные параметры логических элементов. 4. Нарисуйте переходную характеристику ЛЭ И-НЕ. 5. Нарисуйте передаточную характеристику ЛЭ ТТЛ. 6. Как зависит U вых от количества нагрузок? 0 от количества нагрузок? 7. Как зависит U вых 80

8. Как определяется t зср ? 9. Укажите достоинства и недостатки элементов ТТЛ и КМОП. 10. Дайте определение U пор ЛЭ. 11. Чем отличаются ЛЭ ТТЛ и ТТЛш? 12. В чем состоит отличие синхронных и асинхронных триггеров? 13. Нарисуйте схемы синхронного и асинхронного RSтриггеров. 14. Напишите таблицу истинности RS-триггера. 15. Что представляет собой D-триггер? 16. Что представляет собой Т-триггер? 17. Напишите таблицу истинности JK-триггера. 18. Чем отличаются RS- и JK-триггеры? 19. Нарисуйте схему мультивибратора. 20. Как работает мультивибратор? 21. Нарисуйте схему простейшего инвертора, выполняющего функцию «НЕ». 22. Как с помощью осциллографа определить частоту импульсов поступающих с мультивибратора? 23. Что происходит с транзистором VT4 на выходе ЛЭ, изучаемого в данной лабораторной работе при подаче на его входы U1вх? Какое напряжение при этом на выходе ЛЭ? 24. Как определить I0вх ЛЭ? (Схема эксперимента, формула определения.) 25. Что такое нагрузочная способность логических элементов? 26. Нарисуйте схему и опишите методику, позволяющую определить нагрузочную способность ЛЭ. 27. Нарисуйте схему, позволяющую определить мощность, потребляемую ЛЭ. 28. Почему при использовании ЛЭ серии ТТЛ к источникам питания предъявляются дополнительные требования? 29. Опишите или нарисуйте схему включения ЛЭ ТТЛ, изучаемого в данной лабораторной работе, при которой он выполняет функцию «НЕ». 30. Когда в ЛЭ серии ТТЛ возникает сквозной ток? К чему это приводит? 81

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с. 3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с. 4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.2. – 2008. – 941 с. 5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – 2-е изд. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 488 с. 6. Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с.

82

Работа 5

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ И ОДНОВИБРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ И ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Цель: изучение принципов построения и экспериментальное исследование мультивибраторов и одновибраторов, выполненных с использованием интегральных логических элементов (ЛЭ) и операционных усилителей (ОУ). ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ОУ и ЛЭ широко используются для построения импульсных устройств, в частности, предназначенных для генерирования и формирования прямоугольных импульсов. Наиболее распространенными устройствами такого типа являются мультивибраторы и одновибраторы. Мультивибраторы Мультивибратором называют автоколебательное устройство, имеющее два временно устойчивых состояния, выходным сигналом которого является последовательность импульсов прямоугольной формы. Мультивибраторы могут быть реализованы как на дискретных транзисторах, так и на интегральных микросхем (ОУ и ЛЭ). Использование микросхем упрощает реализацию мультивибраторов и улучшает их характеристики. Мультивибратор на ОУ, одна из схем которого представлена на рис.5.1, имеет две цепи обратной связи (ОС). Частотнонезависимая положительная ОС реализуется подачей сигнала с вы83

хода ОУ на неинвертирующий вход ОУ, а отрицательная ОС подается через интегрирующую RC-цепь на инвертирующий вход. На рис.5.2 представлены временные диаграммы напряжений на входах и выходах ОУ мультивибратора. Рассмотрим работу мультивибратора на ОУ. В нелинейном режиме напряжение на выходе ОУ может принимать два значения U вых и U вых , близкие к напряжению питания. Предположим, что на выходе мультивибратора возник высоРис. 5.1. Схема мультивибратора на ОУ

напряжение U ни U вых

кий уровень напряжения U вых ( t1 на рис. 5.2). Тогда на неинвертирующем входе создается

R2 . Оно больше, чем на инвертиR1 R2

рующем входе. Это поддерживает схему во временно устойчивом состоянии, при котором Uвых Uвых , а токи в цепях схемы текут, как показано на рис. 5.3, а. Ток I1 , протекая через конденсатор С, заряжает его, и напряжение на инвертирующем входе возрастает (см. рис. 5.2). После того, как это напряжение достигнет величины, равной напряжению на неинвертирующем входе (момент времени t 2 , рис. 5.2), выходное напряжение изменится и станет равным

U вых . Напряжение на неинвертирующем входе соответственно буR2 дет равно U ни U вых , а токи I1 и I 2 изменят свое наR1 R2 правление (рис. 5.3, б). Конденсатор С начнет перезаряжаться током I1 , и, когда напряжение на нем достигнет значения напряжения на неинвертирующем входе, произойдет переключение мультивибратора в исходное состояние (момент времени t3 ). Далее процесс повторяется. 84

Рис. 5.2. Временные диаграммы работы мультивибратора на ОУ

В большинстве микросхем ОУ U вых U вых , поэтому полупериоды отрицательного и положительного импульсов практически равны T1 T2 . Если конденсатор С в разные полупериоды T1 и T2 перезаряжается разным током, тогда T1 T2 . Схема такого несимметричного мультивибратора представлена на рис. 5.4. В этом устройстве в течение времени T1 (см. рис. 5.4, а) конденсатор С перезаряжается током через R , а в течение T2 (см. рис. 5.4, б) – через R . При U вых

U вых и R 85

R , T1 T2 .

Рис. 5.3. Направление токов в цепях мультивибратора на ОУ во временно устойчивых состояниях: а – при U вых

U вых ; б – при U вых

U вых

Рис. 5.4. Направление токов в цепях несимметричного мультивибратора на ОУ: а – Uвых Uвых ; б – Uвых Uвых

Длительности положительных и отрицательных полупериодов

T1 и T2 определяются формулами:

T1

1ln

U вых

U вых

U вых (1 86

)

,

(5.1)

T2 где

1

R C,

2

2 ln

R C,

U вых , можно записать T1

U вых

U вых

,

(5.2)

U вых (1 ) R2 . Учитывая, что Uвых R1 R2 1 1 , T2 . 1ln 2ln 1 1

Отличительной особенностью мультивибратора на ОУ является возможность получения очень низкой частоты выходных импульсов. Если выбрать ОУ с полевыми транзисторами на входе ( Rвх , I вх 0 ), то частота выходных импульсов может быть очень низкой и будет зависеть лишь от 1,2 . Например, при С = 100 мкФ, R = 10 мОм и = 0,5

T1,2 103 с, т.е. F 0,5 10 3 Гц. Максимальная частота мультивибратора на ОУ ограничивается величинами задержки ( t з ) и временем нарастания фронта ( tф ) выходного напряжения ОУ при подаче на один из входов идеального перепада напряжения, т.е. скоростью нарастания ОУ:

F

1 2(t з

tф )

,

(5.3)

так как T1,2мин t з tф . Мультивибратор на ЛЭ. Для построения мультивибратора могут быть использованы интегральные логические элементы различных типов, включенные по схеме инвертора. Принцип построения мультивибраторов состоит во введении положительной обратной связи через дифференцирующие RC-цепи. Схема простейшего мультивибратора на ЛЭ, выполняющих функцию И-НЕ, представлена на рис. 5.5, а. Рассмотрим работу мультивибратора. В момент времени t1 (рис. 5.5, в) ЛЭ1 только что перешел в состояние «1» 1 ), ЛЭ2 только что только что перешел в состояние ( Uвых1 Uвых 0 ). На входе ЛЭ1 действует низкое напряжение «0» ( Uвых2 Uвых 87

Рис. 5.5. Принципиальная схема (а), схема с указанием токов в t1 (б) и временные диаграммы работы (в) мультивибратора на ЛЭ

88

(меньше Vпор ), а на входе ЛЭ2 – высокое. Токи перезаряда конденсаторов С1 и С 2 текут, как показано на рис. 5.5, б. Током I 2 перезаряжается конденсатор С1 . При этом напряжение на входе элемента ЛЭ1 (см. рис. 5.5, в) с постоянной времени 1 R1C1 увеличивается и стремится к уровню 0 U уст1 I вх R1 , 0 – входной ток ЛЭ1 при напряжении 0 где I вх на входе. НаU вых пряжение U уст1 обычно выбирают меньше Vпор :

U уст1 Vпор . Следовательно, ЛЭ1 остается в состоянии «1». Током I1 перезаряжается конденсатор C 2 . При этом напряжение на входе элемента ЛЭ2 U вх2 с постоянной времени 2 R2C2 уменьшается и стремится к нулю. После снижения U вх2 до Vпор происходит переброс ЛЭ2 в состояние «0» (на рис. 5.5, в). Положительный перепад напряжения с выхода ЛЭ2 через конденсатор С1 передается на вход ЛЭ1, перебрасывая его в состояние «1». Отрицательный перепад напряжения с выхода ЛЭ1 через C 2 передается на вход ЛЭ2, ускоряя его переброс в состояние «0». Мультивибратор переключается во второе временно устойчивое состояние. При этом токи I1 и I 2 меняют свое направление на противоположное и процесс повторяется. Длительность временно устойчивых состояний ( T1 и T2 ) определяется соответственно постоянными времени 2 R2C2 и 1 R1C1 и вычисляется по формулам:

T1

2 ln

1 0 U уст2 U вых U вых , Vпор

(5.4)

T2

1 ln

1 0 U уст1 U вых U вых . Vпор

(5.5)

89

Максимальная частота выходных импульсов мультивибратора на ЛЭ определяется их быстродействием и приблизительно равна

Fмакс

1 4t зср

.

(5.6)

Минимальная частота определяется входными токами и емкостями используемых конденсаторов. Одновибраторы Одновибратором называют электронное устройство, имеющее одно устойчивое и одно временно устойчивое состояние, причем переход из устойчивого состояния во временно устойчивое осуществляется с помощью входного импульса, а обратный переход происходит самостоятельно. Таким образом, одновибратор является формирователем импульсов, амплитуда и длительность которых определяются параметрами элементов одновибратора, а частота – частотой входных импульсов, превышающих порог срабатывания одновибратора. Как и мультивибраторы, одновибраторы могут быть реализованы на дискретных транзисторах и с использованием ОУ и ЛЭ. Одновибратор на ОУ. Схема, поясняющая принцип построения одновибратора на ОУ и временные диаграммы работы устройства, представлена на рис. 5.6. В устойчивом состоянии ( U вх 0 ) напряжение U ни на неинвертирующем входе равно U оп и на выходе поддерживается высокий уровень Uвых Uвых . С приходом входного импульса амплитудой U вх U оп выходное напряжение скачком изменяется до величины Uвых Uвых . Этот скачок ( U вых U вых

U вых ) че-

рез конденсатор С передается на неинвертирующий вход. После окончания действия входного импульса напряжение на неинвертирующем входе остается отрицательным и поддерживает на выходе напряжение U вых (временно устойчивое состояние). Во временно устойчивом состоянии током, протекающим через резистор R, конденсатор С перезаряжается (рис. 5.6, б), напряжение на неинвертирующем входе с постоянной времени = RC повышается 90

(рис. 5.6, в). При достижении этим напряжением нулевого уровня (этой величине равно напряжение на инвертирующем входе после окончания действия U вх ) выходное напряжение скачком возвращается к исходному уровню. Скачок выходного напряжения передается через С на неинвертирующий вход. При этом ток через С меняет свое направление, и напряжение на неинвертирующем входе с постоянной времени снижается до своего исходного значения U оп . Длительность выходного импульса (время выдержки) можно определить из выражения:

Tи

ln

U вых

U вых

U оп

.

Постоянная определяет также и время, в течение которого устройство переходит в исходное состояние после окончания входного импульса – время восстановления. Время восстановления является важным параметром, так как к приходу следующего запускающего входного импульса все переходные процессы в устройстве должны завершиться. В данном случае напряжение на входе U ни должно снизиться до величины U оп . Это произойдет приблизительно через время Tвосст 3 . В одновибраторах стремятся уменьшать время восстановления для увеличения быстродействия ( Fвх.макс ). С этой целью параллельно резистору R включают диод. Схема на рис. 5.6, а иллюстрирует принцип работы одновибратора. Реальная схема одновибратора на ОУ и временные диаграммы работы показаны на рис.5.7. В этом устройстве напряжение ОС с выхода ОУ подается через двухсторонний ограничитель ( Rогр ,

Dогр ), причем

U огр U 0

0,6 В, а

U огр

U ст , где U ст – на-

пряжение стабилизации стабилитрона Dогр . Напряжение обратной связи ограничено для того, чтобы не допустить больших перепадов напряжения на входе U ни ОУ, которые могут привести к пробою входных транзисторов ОУ. Как и в схеме на рис. 5.6, а, перезарядка конденсатора С в течение Tи 91

происходит через резистор R (диод Д1 смещен в обратном направлении, т.е. закрыт). Время Tвосст определяется перезарядом конденсатора большим током через цепь Rогр , Д1 и может быть сделано достаточно малым.

Рис. 5.6. Схема (а), схема с указанием токов в t1 (б) и временные диаграммы работы одновибратора на ОУ (в) 92

Длительность Tи и время Tвосст одновибратора (см. рис.5.7, а) определяются по формулам:

Tи где = RC;

U Uд , ln ст U оп

(5.7)

Tвосст 3 восст, где восст RогрC . Одновибратор на ЛЭ. Простейший одновибратор на ЛЭ (схема на рис.5.8, а) содержит два ЛЭ типа И-НЕ, между которыми включена времязадающая RC-цепь. До подачи входного отрицательного сигнала (см. рис.5.8, б) ЛЭ2 находится в состоянии «1», так как величина сопротивления R выбрана таким образом, что U вх2 Vпор . Следовательно, ЛЭ1 находится в состоянии «0», так как 1 1 . После подачи входного сиги Uвх1 Uвых2 Uвых U вх1 U вых нала на U вх1 (см. рис.5.8, б) ЛЭ1 перейдет в состояние «1» и на1 . Этот перепад напряжепряжение на его выходе возрастет до U вых ния через конденсатор С передается на вход ЛЭ2 и переводит его в 0 состояние «0». Напряжение с выхода ЛЭ2 Uвых2 Uвых поступает на вход U вх1 ЛЭ1 и поддерживает его в состоянии «1» после окончания действия входного импульса на U вх1. После переключения одновибратора во временно устойчивое состояние ток I (рис. 5.8, а) течет с выхода ЛЭ1 через конденсатор С и резистор R. Конденсатор С перезаряжается, и напряжение на R, а соответственно и на входе ЛЭ2, уменьшается. При достижении этим напряжением порога срабатывания Vпор , ЛЭ2 переходит в состояние «1» и вызывает переход ЛЭ1 в состояние «0». Ток через конденсатор С и резистор R меняет свое направление и устройство возвращается в свое исходное состояние. Время выдержки для одновибратора на ЛЭ определяется формулой:

Tи

0 U1 U вых ln вых , где = RC. Vпор

Время восстановления в приведенной схеме Tвосст (2 3) . 93

(5.8)

Рис. 5.7. Схема (а) и временные диаграммы (б) работы одновибратора на ОУ, используемого на практике 94

Рис. 5.8. Схема (а) и временные диаграммы (б) одновибратора на ЛЭ

95

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Лабораторный макет предназначен для исследования мультивибраторов и одновибраторов на интегральных схемах ОУ и ЛЭ. Схема макета приведена на рис. 5.9. В макете используются ОУ типа 14ОУД1208 и ЛЭ типа К155ЛА3. Источники питания подключаются к клеммам, расположенным справа вверху. Напряжение питания макета E1 5 В, E2 5 В. На интегральных микросхемах собраны следующие устройства: на ОУ1 – мультивибратор; на ОУ2 – одновибратор, входным сигналом которого является продифференцированный RC-цепью (С = 0,05 мкФ, R = 10 кОм) сигнал мультивибратора на ОУ1; на ЛЭ 1, 2 – мультивибратор; на ЛЭ 4, 5 – одновибратор, входным сигналом которого является выходной сигнал мультивибратора на ЛЭ 1, 2, укороченный усилителем – формирователем на ЛЭ 3. Для одновибратора на ОУ2 предусмотрен регулятор порогового напряжения в пределах 0 U оп 2 В. Места включения перемычек показаны на схеме пунктиром. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Изучить по описанию и рекомендуемой литературе принцип работы и основные параметры мультивибраторов и одновибраторов на ОУ и ЛЭ. Ответить на контрольные вопросы. 2. Рассчитать параметры мультивибраторов (см. рис.5.1 и 5.4) на ОУ ( T1 , T2 , F) при следующих параметрах элементов: С = 0,1 мкФ,

R1 10 кОм, R2

5 кОм, Uвых

Uвых

4 В,

а) R = 50 кОм; б) R R 100 кОм; в) R 100 кОм, R 100 кОм // 10 кОм; г) R 100 кОм // 10 кОм, R 100 кОм.

96

97

Рис. 5.9. Лицевая панель макета лабораторной работы

3. Определить параметры ( Tи , Tвосст) одновибратора (см. рис.5.7, а) при следующих параметрах элементов: С = 0,1 мкФ, R = = 10 кОм, Rогр 1 кОм, U д 0,7 В, U ст 2,1 В при U оп 0,5; 1; 1,5; 2 В и U вых

Uвых

4 В.

Построить график Tи f (U оп ) . Выбрать вариант параметров мультивибратора, обеспечивающий исследование одновибратора (T1 T2 ) (Tи Tвосст) . 4. Рассчитать параметры мультивибратора (T1 , T2 ) на ЛЭ (см. рис.5.5, а) при следующих параметрах элементов схемы: R1 R2 1 кОм при а) C1 C2 1000 пФ, б) C1 C2 0,01 мкФ. 0 0 1 Параметры ЛЭ: Vпор 1,4 В, I вх 1 мА, U вых 0,2 В, Uвых 3 В. 5. Рассчитать и зарисовать вид сигнала на выходе элемента ЛЭ3 (см. рис.5.8). 6. Определить параметры одновибратора (см. рис.5.8, а) на ЛЭ4, ЛЭ5 для следующих наборов параметров элементов устройства: а) С = 1000 пФ, R = 2 кОм; б) С = 6000 пФ, R = 2 кОм; в) С = 1000 пФ, R = 2 кОм // 510 Ом. Выбрать вариант параметров мультивибратора на ЛЭ, обеспечивающий исследование одновибратора.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Подключить макет к источникам питания, предварительно установив необходимые напряжения. 2. Зарисовать осциллограммы и определить параметры ( T1 , T2 ,

U вых ) напряжения на выходе и входах ОУ мультивибратора на ОУ1 при следующих значениях R: R = 50 кОм; R R 100кОм; R 100кОм, R 100кОм // 10 кОм; R 100кОм // 10 кОм, R 100кОм. 98

3. Определить длительность фронтов tф и tф мультивибратора на ОУ1. 4. Зарисовать осциллограммы и определить параметры ( Tи ,

U вых ) напряжения на входах и выходе одновибратора на ОУ2, включив мультивибратор в режим, выбранный для исследования (п.2 рабочего задания) при U оп 0,5; 1; 1,5; 2 В. Построить график зависимости Tи

f (U оп ) .

5. Зарисовать осциллограммы и определить параметры ( T1 , T2 , U вых ) входных и выходных импульсов мультивибратора на ЛЭ1 и ЛЭ2 для двух вариантов параметров емкостей: а) С1 С2 1000пФ; б) С1 С2

0,01мкФ.

6. Зарисовать осциллограммы и определить параметры ( Tи , U вых ) на входах и выходах ЛЭ4, ЛЭ5 одновибратора при следующих параметрах времязадающей цепочки: а) С = 1000 пФ, R = 2 кОм; б) С = 6000 пФ, R = 2 кОм; в) С = 1000 пФ, R = 2 кОм // 510 Ом. 7. Сравнить все полученные результаты с расчетом. Определить расхождение результатов в процентах. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дайте определение мультивибратора. 2. Назовите основные параметры мультивибратора. 3. Какие обратные связи используются в мультивибраторе на ОУ? 4. Из каких соображений следует выбрать сопротивления в цепи положительной обратной связи мультивибратора на ОУ? 5. Как изменить соотношения между временами положительных и отрицательных импульсов в мультивибраторе на ОУ? 99

6. Укажите достоинства и недостатки мультивибратора на ОУ. 7. В какой момент происходит в мультивибраторе переход ОУ из одного состояния в другое? 8. Почему для построения мультивибратора на ЛЭ типа И-НЕ используются два элемента, а на ОУ – один усилитель? 9. Чем ограничена сверху и снизу частота выходных импульсов мультивибраторов на ОУ и ЛЭ? 10. Какая обратная связь используется в мультивибраторах на ЛЭ? 11. Дайте определение одновибратора. 12. Чем определяется время импульса Tи на выходе одновибратора? 13. Какая обратная связь используется в одновибраторе на ОУ? 14. При каком условии происходит переход во временно устойчивое состояние одновибратора на ОУ? 15. При каком условии происходит выход одновибратора на ОУ из временно устойчивого состояния? 16. Поясните роль цепи, состоящей из резистора Rогр и диода

Д огр . 17. Поясните роль Д восст в одновибраторе на ОУ (см. рис.5.7). 18. Какой параметр одновибратора определяет Tвосст? 19. Как будут изменяться параметры мультивибратора на ОУ при изменении напряжения питания? 20. При каком входном напряжении одновибратор на ЛЭ находится в устойчивом состоянии? 21. При каком условии одновибратор на ЛЭ переходит во временно устойчивое состояние? 22. Как можно изменить Tи одновибратора на ЛЭ? 23. Чем определяется время восстановления в одновибраторе на ЛЭ? 24. Как будут изменяться параметры мультивибратора на ЛЭ при изменении напряжения питания?

100

25. Из каких соображений следует выбирать сопротивление во времязадающей RC-цепи одновибратора на ЛЭ, изучаемого в данной лабораторной работе? 26. Какую зависимость имеет ТИ одновибратора на ОУ от UОП? СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с. 3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – 2-е изд. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 488 с. 4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с. 5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.2. – 2008. – 941 с. 6. Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с.

101

Работа 6

КОМБИНАЦИОННЫЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Цель: изучение работы регистра, сумматора, счетчика, дешифратора и отображающего устройства. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Сумматор предназначен для сложения двоичных чисел и является одним из основных устройств при построении различных ЭВМ, поскольку примерно 70 % операций, производимых в них, являются операциями типа сложения. Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел А и В. При этом могут возникать четыре комбинации, представленные на рис. 6.1. Количество комбинаций 1 2 3 4

А

+

В

= PS

0 0 1 1

+ + + +

0 1 0 1

= 00 = 01 = 01 = 10

Рис. 6.1. Сложение двух одноразрядных двоичных чисел: А и В – слагаемые; Р – значение переноса в более старший разряд; S – значение суммы

Как следует из приведенных комбинаций, чтобы реализовать функцию сложения, необходимо иметь логический элемент, который бы при совпадении логических сигналов на входах давал 0, а при несовпадении – 1. Такой логический элемент, выполняющий функцию неравнозначности, называется «исключающее ИЛИ». Обозначение этого элемента приведено на рис. 6.2, там же представлена таблица истинности. 102

Рис. 6.2. Схема элемента «исключающее ИЛИ» (а) и его таблица истинности (б)

Однако реализовать полностью на этом элементе сумматор одноразрядных двоичных чисел невозможно, так как необходимо получать на выходе нашего сумматора помимо суммы (S) еще и значение переноса – Р. Такую схему можно реализовать при использовании двух элементов: «исключающее ИЛИ» и «И». Такая схема представлена на рис. 6.3 вместе с таблицей истинности. С помощью устройства, собранного по этой схеме можно складывать только одноразрядные двоичные числа. Такая схема носит название полусумматора.

Рис. 6.3. Схема одноразрядного полусумматора (а) и его таблица истинности

Для сложения двух многоразрядных двоичных чисел полусумматор используется только для одного младшего разряда. Во всех остальных разрядах складываются не два (А, В), а три числа (А, В и Р), поскольку может произойти перенос из более младших разрядов. Таким образом, в общем случае для каждого разряда необходима логическая схема с тремя входами (два слагаемых из предыдущего разряда и перенос) и двумя выходами (сумма и перенос в последующий разряд). Такая схема называется полным сумматором. Ее можно реализовать, например, с помощью двух полусумматоров, как показано на рис. 6.4, здесь же представлена таблица переключений (пунктиром обведен полусумматор). 103

На рис. 6.5 приведена структурная схема четырехразрядного сумматора.

Рис. 6.4. Схема одноразрядного сумматора (а) и его таблица истинности (б)

Рис. 6.5. Структурная схема четырехразрядного сумматора

Четырехразрядные полные сумматоры выпускаются в нашей стране в виде интегральных микросхем (рис.6.6). К числу таких микросхем относятся 133ИМ3, К155ИМ3, К176ИМ1, 564ИМ1 и др. Для сложения 8- – 12- и 16-разрядных чисел возможно каскадное соединение этих микросхем. Для построения сумматоров с числом 104

разрядов некратным 4 используется микросхема одноразрядного полного сумматора (рис. 6.7). К таким микросхемам относятся К155ИМ1, 133ИМ1.

Рис. 6.6. Условное обозначение микросхемы четырехразрядного полного сумматора

Рис. 6.7. Условное обозначение микросхемы одноразрядного полного сумматора

Сумматоры, о которых шла речь выше, наряду с простотой построения являются сравнительно медленными, поскольку сигналы переноса последовательно распространяются от младшего разряда к старшему. В сумматорах с параллельным переносом устранен этот недостаток. Как следует из названия, в нем перенос с помощью специальной схемы ускоренного переноса осуществляется параллельно; к ним относятся микросхемы 134ИМ5, К555ИМ6. Сумматоры являются типичными представителями комбинационных устройств, т.е. таких устройств, выходной сигнал которых зависит только от комбинации входных. Для построения цифровых систем кроме комбинационных устройств требуются последовательностные устройства, логическое состояние которых на выходе определяется не только комбинацией входных сигналов, но и последовательностью их поступления. Поэтому последовательностные устройства должны обладать памятью для запоминания последовательности приходящих на входы сигналов. Последовательностные устройства иногда называют «конечными автоматами» или просто «автоматами». Простейшими последовательностными устройствами являются триггеры; они же в свою очередь являются составными частями более сложных последовательностных устройств, например регистров. 105

Регистры предназначены для хранения и преобразования цифрового кода. Они являются важным звеном всех типов вычислительных систем. С использованием регистров могут выполняться следующие операции: прием и хранение n-разрядного числа, передача числа из регистра в прямом или обратном коде, сдвиг хранимого в регистре числа. Информация в регистре хранится в виде числа (слова), представленного комбинацией сигналов «0» и «1». Так, число (слово) 10100101 является восьмиразрядным, а 1001 – четырехразрядным. По способу записи информации, т.е. числа (слова) регистры классифицируются на параллельные и последовательные. Если информация поступает на вход регистра параллельно, а выдается последовательно, то такие регистры называются параллельно-последовательные; если наоборот, то последовательно-параллельные. Регистры, в которых информация может вводится и выводится как последовательно, так и параллельно, называются универсальными. Регистры с последовательным вводом или выводом информации называются сдвиговыми. Сдвиговые регистры могут быть реверсивными, т.е. выполнять сдвиг информации как вправо, так и влево. Сдвиг числа влево или вправо на один разряд соответствует его умножению или делению на 2, поэтому регистры сдвига используются для построения умножителей или делителей. Кроме того, регистры являются основой для построения таких логических узлов, как счетчики. Сдвиг в регистрах осуществляется путем подачи на вход синхронизирующих импульсов (рис. 6.8). Причем соотношение между положительным импульсом и паузой (скважность) может быть произвольным. Однако для кажРис. 6.8. Форма синхронизирующих дой серии микросхем суимпульсов ществует минимальная длительность синхронизирующих импульсов, при которой полностью сохраняется работоспособность схемы. 106

В большинстве случаев регистры выполняются на триггерах с раздельными (установочными) входами, например RS-триггерах. Приемом, выдачей и другими операциями в регистре управляют сигналы, поступающие по управляющим шинам на входные вспомогательные схемы триггеров регистра. Регистры выпускаются в виде интегральных микросхем с очень широкой номенклатурой. К ним относятся восьмиразрядные сдвигающие регистры 134ИР2, 134ИР8, 128ИР1, 133ИР13, 155ИР13, 176ИР4, 564ИР6 и др. На рис.6.9 представлено условное обозначение микросхемы 134ИР8.

Рис. 6.9. Условное обозначение микросхем восьмиразрядного сдвигающего регистра

Рис. 6.10. Условное обозначение микросхемы универсального четырехразрядного сдвигающего регистра

Большое распространение получили микросхемы четырехразрядных универсальных регистров, к таким микросхемам относятся: 133ИР1, 134ИР1, К155ИР1, К176ИР3 и др. На рис.6.10 представлено условное обозначение микросхемы 155ИР1. Кроме стандартных схем, представляющих собой типовые узлы и блоки ЭВМ, для построения аппаратуры необходимо иметь специализированные схемы, обеспечивающие работу на нестандартную нагрузку (т.е. не на логические схемы), такую как реле, индикационные лампы накаливания, светодиоды, линии задержки и др. С учетом этого в состав серий микросхем включены ИС с открытым коллектором, выполняющие роль ключей. К таким микросхемам относятся: 133ЛА7, 155ЛА7, 133ЛА8, К155ЛА8. Они предназначены для работы в качестве усилителей индикации и позволяют 107

коммутировать в выходной цепи ток до 40 мА. На рис. 6.11 приведено условное обозначение микросхемы 133ЛА8, а на рис. 6.12 – схема включения на выход регистров светодиодов, причем на рис. 6.12, а светодиод горит, когда на выходе микросхемы низкий потенциал, а на рис. 6.12, б – когда высокий.

Рис. 6.11. Условное обозначение микросхемы 133ЛА8

Рис. 6.12. Два варианта подключения светодиода к выходу микросхемы: а – светодиод «включен» при открытом ключе; б – светодиод «включен» при закрытом ключе

Счетчиком называют последовательностное устройство с одним информационным входом, циклически переходящее из одного состояния в другое под действием входных сигналов (импульсов, перепадов напряжений) и позволяющее, таким образом, определять число импульсов, поступающих на его вход. Основным параметром счетчика является модуль счета М, показывающий максимальное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. После поступления М-го импульса счетчик должен возвращаться в исходное состояние. Для примера рассмотрим таблицу состояний (табл. 6.1) для трехразрядного двоичного счетчика в зависимости от числа входных импульсов. Как видно, величина модуля счета для этого счетчика равна 8. Разряды счетчика обычно строятся на основе триггеров. Счетчик, содержащий m разрядов может иметь 2 m устойчивых состояний, поэтому модуль его счета M 2 m . Помимо информационного входа счетчики имеют дополнительные входы установки S, позволяющие предва108

рительно установить на выходе счетчика заданное число, входы сброса R, сигналы на которых переводят счетчик в исходное состояние, а также входы J и K, позволяющие дополнительно управлять работой счетчика. Частота импульсов на выходе последнего разряда счетчика в М раз меньше, чем частота импульсов, поступающих на вход. Поэтому счетчики можно использовать в качестве делителей частоты, обеспечивающих на выходе в М раз меньшую частоту сигнала, чем на входе. Так, таблицу состояний для трехразрядного двоичного счетчика можно интерпретировать в графическое изображение, представленное на рис. 6.13. Таблица 6.1 М

Выходы счетчика (веса разрядов) 2

М2 (2 )

М1 (21)

М0 (20)

0

0

0

0

1

0

0

1

2

0

1

0

3

0

1

1

4

1

0

0

5

1

0

1

6

1

1

0

7

1

1

1

8

0

0

0

Рис. 6.13. Графическая интерпретация таблицы состояний трехразрядного двоичного счетчика

109

Как видно из рисунка, в каждом разряде счетчика происходит последовательное деление входных импульсов на 2. Таким образом, в старшем разряде трехразрядного двоичного счетчика один импульс приходится на восемь входных. По типу функционирования различают счетчики суммирующие, вычитающие, реверсивные. Суммирующий счетчик выполняет прямой счет, т.е. при поступлении на вход очередного импульса число на выходе счетчика увеличивается на единицу. Вычитающий счетчик производит обратный счет, т.е. при поступлении счетного импульса на выходе число уменьшается на единицу. Реверсивный счетчик может работать в режиме прямого и обратного счета. Счетчики широко используются в устройствах управления цифровых систем для подсчета числа выполненных операций, в связной и контрольно-измерительной аппаратуре для определения числа поступивших сигналов и уменьшения их частоты и др. По структурной организации счетчики делятся на параллельные, параллельно-последовательные и последовательные, которые различаются способами подачи счетных импульсов на входы разрядов. Последовательный, иногда его называют асинхронным, двоичный счетчик может быть реализован в виде цепочек триггеров, каждый вход которого подключен к выходу предыдущего триггера. Таким образом, импульсы счета поступают на вход только первого триггера, а каждый из последующих управляется выходным сигналом предыдущего (рис. 6.14). На логические входы J и К постоянно подается логический сигнал, соответствующий «1».

Рис. 6.14. Трехразрядный асинхронный счетчик

Последовательные счетчики отличаются простотой построения. Однако быстродействие этих счетчиков зависит от количества разрядов и с увеличением их – уменьшается. 110

От этого недостатка свободны параллельные счетчики, иногда их называют синхронными. В синхронных счетчиках импульсы счета подаются одновременно на входы С всех разрядов. Управление переключением триггеров осуществляется по логическим J и К входам (рис. 6.15). Для того, чтобы убедиться в более высоком быстродействии синхронного счетчика, рассмотрим процесс перехода синхронного и асинхронного счетчиков (см. рис. 6.14 и 6.15) из состояния «111» в состояние «000» при поступлении очередного счетного импульса по входу F. Переключение последнего триггера асинхронного счетчика произойдет через t з.общ 3t з.тр . Для синхронного счетчика

t з.общ t з.тр , так как во всех разрядах на входах J и К уже были выставлены «1» (код на выходе до прихода импульса был «111») и переключаются три триггера одновременно. Как видим, выигрыш в быстродействии составит для трехразрядного счетчика – 3. В общем случае – N, N – количество разрядов.

Рис. 6.15. Трехразрядный синхронный счетчик

Однако благодаря своей простоте асинхронные (последовательные) счетчики нашли широкое применение при построении цифровой аппаратуры. Для создания многоразрядных счетчиков часто используется параллельно-последовательное построение, которое осуществляется путем последовательного соединение трех- или четырехразрядных счетчиков. Такие счетчики имеют более высокое быстродействие, чем последовательные и требуют меньше аппаратурных затрат, чем параллельные счетчики. 111

Для получения модулей счета M 2 m используются счетчики с модулем счета M 2 m путем исключения избыточных устойчивых состояний. Исключение этих состояний осуществляется введением обратных связей, а также путем включения дополнительных логических элементов. Например, десятичный счетчик (М = 10) можно получить из последовательного (асинхронного) четырехразрядного счетчика с М = 16, если при поступлении 10-го импульса, когда установится состояние выходов Q3Q2Q1Q0 1010, подать на общий вход сброса сигнал R = 1. Этот сигнал можно получить, используя управляющую комбинационную схему, на выходе которой образуется «1» только в том случае, если на входе сигнал 1010. Аналогично можно построить и счетчики с другим модулем счета. Как видно из табл. 6.1, с помощью трехразрядного двоичного счетчика можно сосчитать до 7, с помощью четырехразрядного – до 15. Следовательно, для счета натуральных десятичных чисел в двоичном коде для каждого десятичного разряда необходим четырехразрядный двоичный счетчик, вырабатывающий двоичный эквивалент счетной декады. Эта счетная декада отличается от обычного четырехразрядного двоичного счетчика тем, что на каждый 10-й (а не 16-й) импульс счета она сбрасывается в нуль и появляется сигнал переноса для запуска счетной декады следующего, более старшего десятичного разряда. Такие счетчики носят название двоично-десятичных. Они значительно проще чисто двоичных в тех случаях, когда результат счета необходимо представить в десятичной форме, потому что каждую цифру удобно дешифрировать в цифру десятичного разряда. В данной работе будем исследовать именно такой счетчик. Промышленностью выпускается большая номенклатура счетчиков. Это 155ИЕ1, ИЕ6, ИЕ7, ИЕ16; 176ИЕ1, ИЕ2, ИЕ3, ИЕ4, ИЕ5, ИЕ8, ИЕ9 и т.д. Схема двоично-десятичного счетчика 155ИЕ2 представлена на рис. 6.16. Дешифраторы являются представителями комбинационных схем и широко используются для преобразования одной формы представления цифровой информации в другую. Условное изображение дешифратора представлено на рис. 6.17. Он имеет m входов и n выходов и выполняет следующую функцию: каждому слову (m – разрядному коду), т.е. комбинации единиц и нулей на входах, 112

соответствует сигнал «0» или «1» на одном или нескольких определенных выходах. Для дешифратора число выходов n 2m . При n 2m дешифратор называется полным, при n 2m – неполным. В составе современных серий микросхем выпускается, например, неполный дешифратор «из 4 в 10», который используется в устройствах вывода информации, чтобы обеспечить десятичную индикацию или печать десятичных чисел. В дешифраторе используются выходные элементы ТТЛ с открытым коллектором (см. рис.6.12, а), которые при логическом «0» на соответствующем выходе замыкают электрическую цепь, в которую включены индикаторные лампы или обмотки реле цифропечатающего устройства. Таким образом, дешифратор функционирует в соответствии с табл.6.2, где X 1 , X 2 , X 3 , X 4 служат входными переменными.

Рис. 6.16. Условное обозначение микросхемы 155ИЕ2

Рис. 6.17. Условное изображение дешифратора Таблица 6.2

Х1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

Х2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

Х3 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

Х4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Y0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Y1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Y2 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

Y3 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 113

Y4 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1

Y5 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1

Y6 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1

Y7 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1

Y8 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1

Y9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

Широкое распространение получили дешифраторы двоичнодесятичных кодов в семисегментный код, которые также выпускаются отечественной промышленностью в виде интегральных схем. Такие дешифраторы применяются в устройствах визуальной индикации десятичных цифр на световых табло (рис.6.18), использующих светодиоды, индикаторы на жидких кристаллах, электролюминесцентные или электровакуумные приборы. Логическое функционирование такого дешифратора определяется табл.6.3, где обозначения выходных функций соответствуют семи сегментам А, В, С, D, Е, F, G. Так как на выходе дешифратора включаются Рис. 6.18. Семиэлементы с открытым коллектором сегментный ин(см. рис. 6.12, а), то сегмент будет светиться дикатор при низком потенциале («0») на соответствующем выходе. Таблица 6.3 Х1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

Х2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

Х3 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

Х4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

А 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0

В 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

С 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

D 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0

Е 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1

F 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0

G 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0

Помимо устройств вывода информации дешифраторы широко используются в устройствах управления, где они в соответствии с поступающим кодом образуют на выходах комбинацию управляющих сигналов для других блоков системы. Дешифраторы строятся обычно на основе логических микросхем, выполняющих функции «И», «ИЛИ», «НЕ» и их комбинаций. Дешифраторы выпускаются в виде интегральных микросхем с широкой номенклатурой. К ним относятся К155ИД1, 134ИД6, К155ИД10, 514ИД2; К176ИД2, К176ИД3, К176ИЕ8 и др. Причем в 114

микросхеме К176ИЕ8 совмещены функции счетчика и дешифратора. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Структурная схема лабораторного макета представлена на рис.6.19 и 6.20, а вид лицевой панели на рис.6.21. Макет лабораторной работы состоит из трех четырехразрядных регистров К155ИР1, два из которых используются для приема данных 1-го и 2-го слагаемых, а третий – для хранения результатов суммирования; а также из четырехразрядного сумматора, который осуществляет непосредственное суммирование.

Рис. 6.19. Структурная схема лабораторного макета (левая часть рис.6.21)

На входы регистров слагаемых подаются произвольные четырехразрядные числа. Для этого с помощью перемычек клеммы «0» или «1», расположенные в нижней части макета, соединяются со входами регистров. Прием информации регистрами происходит только в том случае, когда на вход С подается высокий уровень потенциала (тумблеры Вх. «С» в верхнем положении). Заполненные регистрами 115

четырехразрядные числа с помощью перемычек подаются на вход четырехразрядного сумматора. Для того, чтобы была возможность визуальной регистрации значений переноса, сумматор построен на основе четырех микросхем К155ИМ1, т.е. на основе одноразрядных сумматоров. К выходу сумматора подсоединен четырехразрядный регистр, выполняющий функцию хранения результатов суммирования, которые фиксируются с помощью светодиодов. Структурная схема лабораторного макета, представляющая собой цифро-отображающее устройство, состоящее из двух десятичных разрядов, показана на рис. 6.20. Оно состоит из двух четырехразрядных двоичных счетчиков, двух счетверенных триггеров, двух дешифраторов и двух семисегментных индикаторов. В макет входит также устройство управления, позволяющее путем коммуникации устанавливать пределы счета. Это устройство включает в себя 8 двухвходовых элементов, выполняющих операцию «2И-НЕ» и один восьмивходовой элемент «8И-НЕ», а также схему задержки импульсов, которая позволяет согласовывать по времени подачу на входы счетчика и триггеров сигналов сброса и установки.

Рис. 6.20. Структурная схема лабораторного макета (правая часть рис. 6.21)

Работа макета осуществляется следующим образом. На вход двоично-десятичного четырехразрядного счетчика, принадлежащего к младшему десятичному разряду, подаются счетные импульсы. 116

117

Рис. 6.21. Вид лицевой панели лабораторного макета

После поступления 9-го счетного импульса на выходе счетчика формируется импульс, который, в свою очередь, является счетным для такого же счетчика, расположенного в старшем десятичном разряде. После заполнения обоих счетчиков до установленного заранее с помощью схемы коммутации предела показания счетчика переписываются (запоминаются) триггерами. Значение числа, которое запомнили триггеры, подается на входы дешифраторов, преобразующих входной четырехразрядный код в семисегментный. Выходы дешифраторов непосредственно связаны с семисегментными индикаторами. Таким образом, на индикаторах высвечивается число импульсов, поступивших на вход счетчика.

Рис. 6.22. Схема управления

При достижении показаний счетчика установленного предела в устройстве управления формируется импульс сброса, который подается на счетчик и устанавливает значение всех его разрядов в «нуль». Затем процесс повторяется. Процесс установки любого заданного заранее предела счета удобно проследить на конкретном примере. Пусть необходимое предельное число сосчитанных импульсов составляет 93. Это значит, что счетчики должны быть сброшены в «нуль», когда показания счетчика младшего десятичного разряда станет равным –3, а 118

счетчик старшего десятичного разряда –9. Число 3 в двоичном коде представляется в виде –0011, число 9 –1001. Согласно логике работы логического элемента «8И-НЕ» нулевое состояние на его выходе может быть только в том случае, когда на всех его 8 входах будет присутствовать логическая единица. Таким образом, задача состоит в том, чтобы с помощью логических элементов «И-НЕ» преобразовать выбранное число, представленное в двоичном коде, в восемь единиц. Эту операцию можно осуществить с помощью четырех элементов «И-НЕ», как представлено на рис.6.22. Аналогичным образом можно поступить для кодирования предела счета, выраженного любым двузначным числом. В макете предусмотрена возможность соединения выходов счетчика непосредственно со входами дешифраторов, минуя триггеры. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ 1. Внимательно ознакомиться с описанием лабораторной работы и ответить на все контрольные вопросы. 2. Произвести сложение двух пар произвольно выбранных четырехразрядных двоичных чисел. Получить значение суммы и переносов. 3. Выбрав два произвольных восьмиразрядных числа, произвести сдвиг вправо на 3 разряда и влево на 2 разряда. 4. Выбрать два произвольных двузначных числа и представить их в двоично-десятичной форме. 5. Составить схему кодирования сброса, аналогичную представленной на рис.6.22, но для выбранных чисел. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ 1. Записать произвольную информацию в регистр приема данных 1-го слагаемого. Тоже самое – в регистр приема 2-го слагаемого. 2. Произвести сдвиг информации в регистрах на 1, 2, 3 и 4 разряда. Объяснить полученный результат. 3. Записать во входные регистры выбранные при подготовке к работе два четырехразрядных числа и подать их на сумматор. Запи119

сать значение суммы и переносов. Сравнить полученный результат с результатом, полученным при подготовке к работе. Записать полученную сумму в регистр хранения результата. 4. Произвести сложение двух четырехразрядных чисел без использования регистра. Сравнить с п.3. Объяснить полученный результат. 5. Произвести обнуление всех регистров. 6. Соединить в «кольцо» два четырехразрядных регистра, записать любой код, подать с внешнего генератора синхронизирующие импульсы. Наблюдать с помощью осциллографа процесс хранения записанного слова. 7. Собрать схему цифроотображающего устройства, не включая триггеры памяти. 8. Испытать собранную схему при подаче на вход счетчика счетных импульсов в однократном режиме. 9. Повторить п.8, но генератор счетных импульсов переключить в автоколебательный режим. Изменяя частоту поступления импульсов, определить при какой частоте еще имеется возможность наблюдать результат счета на светодиодных индикаторах. 10. Включить в собранную схему триггеры памяти. Подать на вход импульсы с частотой 5÷10 кГц. С помощью тумблера «Запись» запомнить число, которое в этот момент присутствует на выходах счетчика. Объяснить необходимость включения триггера памяти в цифроотображающее устройство. 11. Установить предел счета импульсов, равным одному из двух чисел, выбранных при подготовке к работе. Убедиться в правильности работы собранной схемы. То же самое проделать для второго числа. 12. Используя счетчик в качестве генератора случайных чисел, получить пять случайных чисел при установке предела счета, равным 36. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое сумматор? 2. В чем отличие сумматора от полусумматора? 3. Что такое «перенос»? Приведите пример. 120

4. Приведите таблицу истинности элемента «исключающее ИЛИ». 5. Чем отличаются схемы сумматоров, приведенных на рис.6.6 и 6.7? 6. Почему сумматор, используемый в работе, построен с помощью четырех одноразрядных сумматоров? Почему не использована одна микросхема четырехразрядного сумматора? 7. Почему сумматоры принадлежат к комбинационному типу схем? 8. Что такое регистр? Из чего он состоит? 9. Какие функции выполняет регистр? 10. К какому типу схем принадлежит регистр и почему? 11. Дайте определение последовательным, параллельным, последовательно-параллельным и параллельно-последовательным регистрам. 12. Как осуществить в регистре сдвиг информации? 13. Почему четырехразрядный регистр, представленный на рис.6.10 называют универсальным? 14. Какую функцию выполняют регистры приема данных? 15. Можно ли произвести сложение четырехразрядных чисел, не пользуясь регистрами приема данных? 16. Можно ли установить все разряды используемых в данной работе регистров в «0» при отсутствии входа «Уст. 0»? 17. К каким типам устройств принадлежат счетчики, дешифраторы, триггеры? 18. Какая разница между двоичным и двоично-десятичным счетчиком? 19. Какой разрядности должен быть счетчик, чтобы он мог считать до 1029? 20. Чем различаются суммирующий, реверсивный и вычитающий счетчики? 21. Где используются счетчики? 22. Чем различаются последовательные и параллельные счетчики? 23. Каковы преимущества и недостатки этих счетчиков? 24. Что такое дешифратор? 25. От чего зависит количество выходов у дешифратора? 26. Для каких целей используются дешифраторы? 121

27. Для какой цели служат триггеры в цифроотображающем устройстве? 28. В каких случаях можно обойтись без триггеров? СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с. 3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – 2-е изд. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 488 с. 4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с. 5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.2. – 2008. – 941 с.

122

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Издание 2-е, с изменениями и дополнениями Под редакцией В.В. Масленникова

Редактор и технический редактор М.В. Макарова Подписано в печать 25.02.2010. Формат 60 84 1/16. Печ.л. 7,75. Уч.-изд.л. 7,75. Тираж 500 экз. Изд. № 007-1. Заказ № 64 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Типография НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31