Исследование гибридных интегральных микросхем

Содержание

 

 

Лабораторная работа № 1 Исследование гибридных интегральных микросхем..4

 

Лабораторная работа № 2 Исследование полупроводниковых интегральных

 

микросхем ……………………………………………………………………………9

 

Лабораторная работа № 3 Исследование усилителя на биполярном

 

транзисторе …………………………………………………………………………13

 

Лабораторная работа №4  Исследование усилителя на полевом транзисторе...19

 

Лабораторная работа № 5 Исследование характеристик и параметров

 

операционного усилителя........................................................................................25

 

Лабораторная работа № 6 Исследование функциональных узлов на основе

 

операционного усилителя …..………………………..……………………………34

 

Лабораторная работа № 7 Исследование работы биполярного транзистора в

режиме ключа ……..……………………………………………………….....……45

 

Лабораторная работа № 8 Исследование логических интегральных микросхем

 

на биполярных транзисторах ………………… ……………………….………….50

 

Лабораторная работа № 9 Исследование логических интегральных микросхем

 

на полевых транзисторах ………………………………....….………...……..…..56

 

 

Лабораторная работа №1

Подготовка к работе

2.1 Изучить следующие вопросы курса:

2.1.1 Подложки полупроводниковых интегральных микросхем;

2.1.2 Способы изоляции элементов ППИМС (p - n переходом, резистивная диэлектрическая и др.);

2.1.3 Активные элементы ППИМС: биполярные транзисторы (БТ), полевые транзисторы (ПТ) и диоды;

2.1.4 Пассивные элементы ППИМС: резисторы, конденсаторы, пленочные проводники и контактные площадки;

2.1.5 Основные технологические процессы, используемые при изготовлении ППИМС (эпитаксия, получение пленки SiO₂, литография, локальная диффузия, ионное легирование, металлизация).

 

2.2 При подготовке к работе рекомендуется ответить на следующие контрольные вопросы.

2.2.1 Дать определение ППИМС.

2.2.2 Какие способы изоляции элементов используются при изготовлении ПП ИМС?

2.2.3 Какие основные технологические операции применяются при изготовлении ПП ИМС? Рассказать о них.

2.2.4 Объяснить устройство планарного биполярного транзистора ППИМС.

2.2.5 Привести эквивалентную схему биполярного транзистора в составе ППИМС и объяснить влияние подложки.

2.2.6 Разновидности БТ: многоэмиттерные, горизонтальные p - n - p  и др.

2.2.7 Каким образом выполняются диоды в ППИМС? Перечислить варианты и сравнить их.

2.2.8 Объяснить устройство полевых транзисторов различных структур в ППИМС.

2.2.9 Объяснить устройство диффузионного и ионно-легированного резистора ППИМС. Привести эквивалентные схемы и указать паразитные элементы.

2.2.10 Объяснить устройство  конденсаторов ППИМС на основе p - n перехода и МДП структуры, привести эквивалентные схемы и указать паразитные элементы.

 

       3 Литература

1 Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – СПб.: Издательство «Лань», 2008,  с.169-270.

2 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, с. 274-280.

3   Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Под редакцией Федорова Н.Д. - М.: Радио и связь, 1998, с.201-214.

4 Савиных В.Л. Конспект лекций. Электронная версия. СибГУТИ. 2009

 

     4 ИМС, используемые в работе

В лабораторной работе исследуются ППИМС серии К122. Все ИМС этой серии изготавливают на основе единого базового кристалла (рисунок 1), т.е. 

 

Рисунок 1- Базовый кристалл ППИМС серии К122

без пленочных межэлементных соединений.

единого набора пассивных и активных элементов, расположенных в полупроводниковой подложке, которые в зависимости от назначения имеют различное соединение, согласно принципиальной схеме.

    Принципиальная схема исследуемой ППИМС типа К122УТ1А приведена на рисунке 2, а микросхемы К122ТШ1- на рисунке 3. 

Рисунок 2- Принципиальная схема ППИМС типа К122УТ1А

Рисунок 3- Принципиальная  схема ППИМС типа К122ТШ1

5 Задание к работе в лаборатории      

5.1 Извлечь файл " ППИМС" из папки "Электроника" и выбрать топологию соответствующей ИМС согласно заданного варианта. Записать тип исследуемой микросхемы.

5.2 Провести анализ топологического чертежа ИМС заданной ППИМС. Для этого используя принципиальную схему:

а) нанести на топологический чертеж соединительные пленочные проводники;

б) определить и обозначить на топологическом чертеже транзисторы, области коллектора, базы и эмиттера; контакты выводов эмиттера, базы и коллектора;

в) найти и указать диодные структуры;

г) выяснить, как осуществляется изоляция для каждой транзисторной и диодной структуры;

д)определить область на кристалле (карман), в которой сформированы резисторы. Определить и обозначить номера резисторов. Определить контакты выводов резисторов.

5.3 Используя второй топологический чертеж базового кристалла (рисунок 1) составить схему разводки соединительных пленочных проводников для указанного преподавателем варианта электрической схемы в соответствии с рисунком 4, при этом проводники не должны пересекаться. Внешние выводы (за исключением выводов питания 1 и 7) располагать произвольно с наибольшей целесообразностью.

6 Указания к составлению отчета.

6.1 Привести принципиальную схему исследуемой ППИМС и схему, заданную для выполнения пленочных соединений на базовом кристалле.

6.2 Привести два топологических чертежа с обозначением на них элементов согласно исследуемой и заданной принципиальным схемам (пп 5.2-5.3).

6.3 Дать пояснения по пунктам задания 5.2а -5.2д.

Рисунок 4 – Варианты принципиальных схем

Лабораторная работа № 3

Цель работы

 

Исследовать принцип работы усилителя на биполярном транзисторе (БТ) для схемы с ОЭ и влияние параметров биполярного транзистора и элементов схемы на параметры и частотные характеристики усилителя.

 

Подготовка к работе

 

2.1 Изучить следующие вопросы курса.

 

2.1.1 Принципиальная схема усилителя на БТ и назначение её элементов;

2.1.2 Параметры и характеристики усилителя;

2.1.3 Влияние элементов схемы на параметры и характеристики усилителя.

 

2.2 Ответить на следующие контрольные вопросы.

 

2.2.1 Привести схему усилителя при включении БТ с ОЭ. Пояснить назначение элементов. 

2.2.2 Перечислить и дать пояснение основным характеристикам и параметрам усилителя.

2.2.3 Как зависят параметры усилителя от параметров транзистора и других элементов схемы?

2.2.4 Привести примерный вид и объяснить какие факторы влияют на амплитудную и частотную характеристики усилителя.

 

Литература

 

1 Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники, - СибГУТИ, Новосибирск, 2005, стр. 86-89.

2 Алексенко А.Г., Шагурин Н.Н. Микросхемотехника, - М.: Высшая школа, 1991, стр. 378-381.

    3 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. -М.: Высшая школа, 1991, стр. 215 - 225, 264 – 282.

    4 Войшвилло Г.В. Усилительные устройства.-М.: Радио и связь, 1983, стр. 64-81.

    5 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, с.336-347.

6 Савиных В.Л. Конспект лекций. Электронная версия. СибГУТИ. 2009

 

 

Задание на работу в лаборатории

В качестве активного элемента усилителя используется один из биполярных транзисторов структуры n - p - n (тип транзистора выбирается по указанию преподавателя из приложения А). Для расчета параметров усилителя необходимо определить h-параметры транзистора. Затем измеряются параметры усилителя и сравниваются расчетные и экспериментальные данные.

4.1 Записать тип БТ, который используется в исследуемом усилителе. 

4.2 Для измерения h-параметров транзистора собрать схему в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема для определения h-параметров

 

В цепь базы включены два источника тока: источник постоянного тока G1 и   переменного тока G2. Источник постоянного тока задает рабочую точку транзистора, а источник  G2 служит для измерения h -параметров. Вольтметр pV1 используется для определения переменного напряжения на базе БТ при расчете параметра h_11Э. Амперметр pA1 необходим для установки режима по постоянному току и определения переменного тока для расчета параметра h_21Э. В цепь коллектора включен источник питания G3  напряжением U_КЭ=15 В.

4.3 Установить частоту генератора G2 равной 1 кГц, а его ток равный нулю. Изменяя ток источника G1 подобрать такой постоянный ток базы I_Б0, чтобы постоянный ток коллектора транзистора составлял I_К0= 7-8 мА. Записать в таблицу 1 токи I_Б0 и I_К0.

4.4 Установить ток генератора G2 I_Б~ ≈ 0,2∙I_Б0  и вольтметром переменного тока pV1 измерить напряжения U_БЭ~. Перевести миллиамперметр рА1 в режим измерения переменного тока и измерить переменную составляющую тока коллектора I_К~. Рассчитать параметры h_11Э  и h_21Э. Входное сопротивление БТ равно . Коэффициент передачи по току равен 

. Результаты измерений и расчетов записать в таблицу 1.

 

Таблица 1

IБ0, мкА	IБ~, мкА	UБЭ~, мВ	IК0, мА	IК~, мА	h11Э,Ом	h21Э

4.5 Исследовать усилитель при включении транзистора по схеме с общим эмиттером. Для этого предварительно рассчитать коэффициент усиления K_U, входное и выходное сопротивления R_ВХ и R_ВЫХ, записать в таблицу 2.

 , , .

4.6 Собрать схему усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером (рисунок 2). В качестве сопротивления R1 взять резистор с номиналом 100 кОм. Конденсаторы С2, С3 и резистор R3 не подключать.

Рисунок 2 – Принципиальная схема усилителя

 

4.7 Установить напряжение U_ВХ~ равным нулю. Подобрать величину сопротивления R1 в пределах 10 кОм – 5 МОм, (номиналы резисторов взять согласно ряда Е24, см. приложение Б) так чтобы постоянное напряжение на коллекторе транзистора составляло 7-8 вольт. Записать значение R1.

Переключить вольтметр с постоянного напряжения на режим измерения переменного напряжения.

4.8 Установить входное напряжение такой величины, чтобы переменное напряжение на выходе усилителя составляло 1,5-2,5 вольта. Записать U_ВХ~, I_ВХ~ и U_{ВЫХ 1~}. Определить коэффициент передачи усилителя по напряжению

 .                                                 

Входное сопротивление усилителя определяется аналогично параметру h_11Э по формуле                            ,                                               

Записать в таблицу 2 и сравнить с расчетными параметрами (п. 4.5).

 

Таблица 2

	Примеч	UВХ~, мВ	IВХ~ мкА	UВЫХ1~ мВ	UВЫХ2~ мВ	KU	RВХ , Ом	RВЫХ , Ом
Расч.	П. 4.5	-	-	-	-
Измер.	П. 4.8 и 4.9

 

    4.9 Подключить С3 и R3. Измерить U_{ВЫХ 2 ~} с нагрузкой (R_Н=R3) и определить , результат занести в таблицу 2.

4.10 Исследовать соотношение фаз входного и выходного сигналов. Для этого: отключить элементы С3 и R3. Входы осциллографа ²А² и ²В² подключить к точкам U_ВХ~ и U_ВЫХ~ усилителя. Зарисовать осциллограммы одна под другой. Обратить внимание на инверсию выходного сигнала относительно входного.

4.11 Снять АЧХ U_ВЫХ= F(f) на нижних частотах (НЧ) для двух значений С1 равных 10 мкФ и 1 мкФ. Для этого установить частоту генератора G1 равную 1 кГц и U_ВХ~ подобрать такой величины, что бы напряжение на выходе было равно U_ВЫХ~=1 - 2 В. Затем, изменяя частоту измерить U_ВЫХ. Результаты занести в таблицу 3.

Таблица 3 U_ВХ~=…   

Ср, мкФ	f, Гц	10	20	30	50	70	100	200	300	500	700	1000
	UВЫХ, В
10	Кн											К0
	Yн											1
	UВЫХ, В
1	Кн
	Yн

где К₀ = U_ВЫХ~ /U_ВХ~ - коэффициент усиления на частоте 1 кГц,

 К_Н- коэффициент усиления на нижних частотах,

 - относительный коэффициент усиления на НЧ.

4.12 Снять две АЧХ на высоких частотах (ВЧ). Одна при отключенной нагрузочной емкости С2. Вторая при подключенной ёмкости С2 непосредственно к коллектору БТ (С3 и R3 не подключать). Результаты измерений занести в таблицу 4. Частоты для измерений взять 1, 10, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200 кГц и т.д. до тех пор, пока коэффициент передачи не снизится в 2 раза.

Таблица 4 U_ВХ~=…, U_ВЫХ~=…   

Сн, нФ

f, МГц

0,001

UВЫХ, В

0

Кв

К0

Yв

1

UВЫХ, В

1

Кв

Yв

где К_В- коэффициент усиления на верхних частотах,

 - относительный коэффициент усиления на ВЧ.

Приложение А

  Таблица А1- Варианты заданий.

№ вар	1	2	3	4	5
Тип БТ	KT 315B	KT 315D	KT 315E	KT 315G	KT 315I
№ вар	6	7	8	9	10
Тип БТ	KT 315V	KT 315Z	KT316A	KT316B	KT316D
№ вар	11	12	13	14	15
Тип БТ	KT316G	KT316V	KT355A	KT368A	KT368B

 

Приложение Б

Таблица Б2-Ряд Е24.

1	1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4	2,7	3,0
3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	6,8	7,5	8,2	9,1

Другие номиналы резисторов получаются умножением выше приведенных номиналов на 10ⁿ, где n – целое положительное или отрицательное число.

Приложение В

Выходное сопротивление определяется следующим методом. Из эквивалентной схемы выходной цепи усилителя, представленной 

на рисунке 3, запишем . Поскольку          

получим . Из этого уравнения находим 

.

Рисунок 3 - Эквивалентная схема выходной цепи усилителя

 

Поскольку без нагрузки Е = U_{ВЫХ 1~}. Окончательно запишем

 ,

где U_{ВЫХ 2} напряжение на выходе усилителя при включенном резисторе R3.

 

  Приложение Г

Рисунок 4- АЧХ усилителя.

Лабораторная работа № 4

Цель работы

 

Исследовать принцип работы усилителя на полевом транзисторе (ПТ) и влияние параметров транзистора и элементов схемы на параметры и характеристики усилителя.

 

Подготовка к работе

 

2.1 Изучить следующие вопросы курса.

2.1.1 Принципиальные схемы усилителей на ПТ различных типов (с p - n переходом и МДП), назначение элементов схем;

2.1.2 Параметры и характеристики усилителя;

2.1.3 Влияние элементов схемы на параметры усилителя, выбор рабочей точки;

2.1.4 Влияние элементов схемы на амплитудную и частотную характеристики усилителя.

 

2.2  Ответить на следующие контрольные вопросы.

2.2.1 Привести схему усилителя при включении ПТ с общим истоком. Пояснить назначение элементов схемы. 

2.2.2 Перечислить и дать пояснение основным характеристикам и параметрам усилителя.

2.2.3 Как зависят параметры усилителя от параметров транзистора и других элементов схемы?

2.2.4 Привести примерный вид передаточной и частотной характеристик усилителя и объяснить какие факторы на их влияют.

2.2.5 В чем отличие в параметрах усилителей на БТ и ПТ?

 

Литература

 

1 Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники, - СибГУТИ, Новосибирск, 2005, стр. 86-89.

2 Алексенко А.Г., Шагурин Н.Н. Микросхемотехника, - М.: Высшая школа, 1991, стр. 378-381.

    3 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. -М.: Высшая школа, 1991, стр. 215 - 225, 264 – 282.

    4 Войшвилло Г.В. Усилительные устройства.-М.: Радио и связь, 1983, стр. 64-81.

    5 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, с. 352-357.

6 Савиных В.Л. Конспект лекций. Электронная версия. СибГУТИ. 2009

 

Задание на работу в лаборатории

В качестве активного элемента усилителя используется один из полевых транзисторов с управляющим p - n переходом и каналом n -типа, (тип транзистора выбирается по указанию преподавателя из приложения А). Для расчета параметров усилителя необходимо определить параметры транзистора. Затем сравниваются расчетные параметры усилителя и экспериментальные данные.

4.1 Записать в таблицу 1 номер варианта, тип ПТ, коэффициент усиления К_U, величину сопротивления R2, которые используются в исследуемом усилителе. 

4.2 Схема для измерения параметров на переменном токе приведена на рисунке 1. В цепь затвора включены последовательно два источника напряжения G1 и G2: соответственно переменного напряжения U_ЗИ~ и постоянного напряжения U_ЗИ-. Источник постоянного напряжения U_ЗИ- задает рабочую точку, а источник переменного напряжения U_ЗИ~ используется для определения крутизны транзистора. G3 – источник питания.

Рисунок 1 – Принципиальная схема для определения параметров ПТ

 

4.3 Определить ток стока I_С0 и крутизну транзистора S₀, при напряжении смещения равном нулю, для этого установить напряжение смещения U_ЗИ=0 и переменное напряжение U_{ЗИ ~} = 0 В. Измерить постоянный ток стока I_С0, записать его значение в таблицу 1. Установить напряжение генератора переменного тока U_ЗИ~ = 50 мВ, частоту равной 1 кГц. Перевести рА в режим измерения переменного тока и затем измерить ток стока I_С~. Крутизна определяется как

при U_ЗИ=0 В и U_СИ=10 В.               

4.4 Определить напряжение отсечки U_ЗИ0. Установить сигнал от генератора переменного тока U_ЗИ~ = 0 В. Перевести миллиамперметр рА в режим измерения постоянного тока и увеличивать напряжение смещения U_ЗИ- до тех пор, пока ток стока I_C не снизится до величины 10±5 мкА. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ варианта	Тип ПТ	КU	R2, кОм	IС0, мА	IС~, мА	S0,мА/B	UЗИ0, В

4.5 Для исследования усилителя при включении транзистора с общим истоком собрать схему, приведенную на рисунке 2. (Назначение элементов дано в приложении В)

Рисунок 2 – Принципиальная схема усилителя

 

    4.6 Предварительно рассчитать крутизну в рабочей точке S_РТ при заданном коэффициенте усиления K_U,

, отсюда .      

Выходное сопротивления .

Результаты записать в таблицу 2.

 

Таблица 2

SРТ, мА/В	UЗИ РТ, В	IС РТ, мА	R3РАСЧ, Ом	R3СТАНД, Ом	RВЫХ РАСЧ, кОм

 

б) напряжение смещения для получения рассчитанной крутизны

в) ток стока в рабочей точке

г) сопротивление смещения, которое обеспечивает заданное напряжение U _{ЗИ РТ} в рабочей точке

R 3_РАСЧ = U _{ЗИ РТ} / I _{С РТ}

Из таблицы П2 приложения 2 выбрать стандартный номинал резистора в соответствии с рядом Е24.

4.7 Исследовать усилитель на полевом транзисторе. Конденсаторы С4 и резистор R4 не подключать.

    Установить напряжение U_ВХ~ равным нулю измерить постоянное напряжение на стоке транзистора U_{СИ РТ}, записать в таблицу 3. Переключить вольтметр с режима измерения постоянного напряжения на переменный.

    Установить напряжение U_ВХ~ равным 100 мВ.

Измерить коэффициент передачи усилителя

 ,

где U_{ВЫХ 1~}  напряжение на выходе усилителя без резистора R4.

4.8 Выходное сопротивление определяется по методике, приведенной в методических указаниях к предыдущей работе. Для этого подключить R4. Измерить U_{ВЫХ 2 ~} с нагрузкой (R_Н=R4) и рассчитать R_ВЫХ, результат занести в таблицу 3.

 ,

Сравнить с расчетными параметрами (п. 4.6).

 

Таблица 3

UСИ РТ, В	UВХ~, мВ	UВЫХ1~ мВ	KU задан	KU измерен	UВЫХ2~, мВ	RВЫХ , Ом

4.9 Исследовать соотношение фаз входного и выходного сигналов. Для этого: отключить элемент R4. Входы осциллографа ²А² и²В² подключить к точкам U_ВХ~ и U_ВЫХ~ усилителя. Зарисовать осциллограммы одна под другой. Обратить внимание на инверсию сигнала.

4.10 Снять АЧХ U_ВЫХ= F(f) на нижних частотах для двух значений С1 равных 1 мкФ и 0,1 мкФ. Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4 U_ВХ~ =…   

Ср, мкФ	f, Гц	10	20	30	50	70	100	200	300	500	700	1000
1	UВЫХ~, В
	Кн											К0
	Yн											1
0,1	UВЫХ~, В
	Кн
	Yн

    где К₀ = U_ВЫХ~ /U_ВХ~ - коэффициент усиления на частоте 1 кГц,

 - коэффициент частотных искажений на НЧ.

4.11 Снять две АЧХ на верхних частотах. Одна при отключенной нагрузочной емкости С4. Вторая при подключенной ёмкости С4 (R4 не подключать). Результаты измерений занести в таблицу 5. Частоты для измерений взять 1, 10, 20, 50, 100, 200 кГц и т.д. до частоты 100 МГц или до тех пор, пока коэффициент передачи не снизится в 2 раза.

Таблица 5 U_ВХ~=…   

Сн, нФ	f, кГц	1	10	20	50	…
0	UВЫХ~, В
	Кв	К0
	Yв	1
1	UВЫХ~, В
	Кв
	Yв

    Где    - коэффициент частотных искажений на ВЧ.

Приложение А.

Таблица А1- Варианты задания.

№ вар	1	2	3	4	5
Тип ПТ	КP303А	КP303В	КP303I	КP303V	КP303Z
КU	10	7,5	15	7	6
R2, кОм	10	7,5	8,2	3,9	8,2
№ вар	6	7	8	9	10
Тип БТ	КP307A	КP307B	КP307E	КP307V	KP308A
КU	12	9	8	7	30
R2, кОм	8,2	3,9	3	2	12
№ вар	11	12	13	14	15
Тип БТ	KP308B	KP308D	KP308G	KP308V	КP303А
КU	30	10	10	12	10
R2, кОм	15	5,1	8,2	10	7,5

 

Приложение Б.

 

Таблица Б2 -Ряд Е24.

1	1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4	2,7	3,0
3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	6,8	7,5	8,2	9,1

Другие номиналы резисторов получаются умножением выше приведенных номиналов на 10ⁿ, где n – целое положительное или отрицательное число.

 

Приложение В.

 

Назначение элементов схемы усилителя:

R1 является сопротивлением утечки, R2^* - нагрузка, R3^* – задает рабочую точку, R4 - дополнительная нагрузка, используется при определении R_ВЫХ. Конденсаторы С1 и С3 являются разделительными, С2 – шунтирует R3, что бы исключить обратную связь по переменному току, С4 – ёмкость нагрузки, используемая при снятии АЧХ на высоких частотах, pV - вольтметр постоянного тока, служит для установки заданного режима по постоянному току и он же при переключении является вольтметром переменного тока, используется при определении коэффициента передачи усилителя.

Лабораторная работа № 5

Цель работы

 

Исследовать основные характеристики ипараметры операционного усилителя.

Подготовка к работе

2.1 Изучить следующие разделы курса.

2.1.1 Аналоговые ИМС и их классификация по выполняемым функциям;

2.1.2 Операционные усилители (ОУ), их структуру и назначение каждого из каскадов;

2.1.3 Принципиальные схемы каскадов, входящих в ОУ, и назначение каждого из элементов, из которых состоят эти каскады.

2.1.4 Параметры и характеристики ОУ, схемы исследования и методики их измерения.

 

2.2   Ответить на контрольные вопросы.

2.2.1 Дать определение и назначение операционного усилителя

2.2.2 Какими параметрами характеризуется идеальный ОУ?

2.2.3 В каких пределах лежат значения параметров реальных ОУ?

2.2.4 Привести передаточную и частотную характеристики ОУ и пояснить их.

2.2.5 Какова внутренняя структура ОУ?

2.2.6 Для чего в ОУ используется дифференциальный каскад? Привести принципиальные схемы дифференциальных каскадов на БТ и ПТ и пояснить их работу. Какие отличия в параметрах этих схем?

2.2.7 Пояснить назначение схемы сдвига уровня, привести принципиальную схему и пояснить её работу.

2.2.8 Какими свойствами обладает эмиттерный повторитель? Привести принципиальную схему и пояснить его работу.

2.2.9 Чем объясняется необходимость увеличения входного и уменьшения выходного сопротивления ОУ?

2.2.10 Как снимается характеристика прямой передачи ОУ?

2.2.11 Каким образом определяется коэффициент усиления по характеристике прямой передачи ОУ?

2.2.12 Что такое напряжение смещения?

2.2.13 Как производится балансировка ОУ?

2.2.14 Каким образом определяются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления ОУ на переменном токе?

2.2.15 Как снимается амплитудно-частотная характеристика ОУ? Как по ней определить предельную частоту и частоту единичного усиления?

2.2.16 В чем состоит достоинство технологических методов микроэлектроники при изготовлении дифференциального усилителя?

 

Литература

1 Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники. СибГУТИ.- Новосибирск, 2005, стр. 108, 121-128.

 2 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, с. 357-385.

3 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов.– 2-е изд. перераб. и доп.– М.: Высш. шк. 1991., стр. 347 – 376.

4 Савиных В.Л. Электроника. Электронная версия. СибГУТИ, 2009.

 

  4 Схема исследования

На рисунке 1 представлена принципиальная схема операционного усилителя. Дифференциальный каскад на входе выполнен на БТ. На том же рисунке представлены приборы для исследования ОУ: генераторы и вольтметры, которые позволяют снять характеристику прямой передачи, измерить коэффициент передачи, входное и выходное сопротивления ОУ и снять амплитудно-частотную характеристику.

Питание усилителя осуществляется от двух источников G3 и G4.

Первым каскадом ОУ является дифференциальный каскад, который выполнен на биполярных транзисторах VT1-VT3. Причем транзистор VT3 является источником тока для дифференциальной пары VT1-VT2. Вход 1 является инвертирующим, а вход 2 неинвертирующим.

Рисунок 1 – Принципиальная схема ОУ на БТ

На вход 1 подается напряжение от генератора переменного напряжения G1. Этот сигнал используется для измерения коэффициента усиления ОУ, входного и выходного сопротивлений, а  так же для снятия АЧХ усилителя.

На вход 2 подается постоянное напряжение от генератора G2. Этот сигнал необходим для снятия характеристики прямой передачи и балансировки усилителя. Вспомогательные резисторы R1 и R6 в состав усилителя не входят, они используются для определения входного сопротивления усилителя.

Вторым каскадом так же является дифференциальный усилитель на транзисторах VT4-VT5.

Назначение транзисторов VT6-VT7 осуществить сдвиг уровня сигнала для получения на выходе ОУ постоянного напряжения близкого к нулю.

Эмиттерный повторитель на транзисторе VT8 необходим для получения малого выходного сопротивления.

Диоды VD1 и VD2 служат для температурной стабилизации.

При помощи нагрузочного резистора R13 определяем выходное сопротивление ОУ. Конденсатор С1 служит для коррекции АЧХ.

Вольтметрами PV1 и PV2 измеряется постоянное и переменное напряжения на выходе ОУ соответственно.

На рисунке 2 представлена принципиальная схема ОУ, у которого дифференциальная пара первого каскада выполнена на полевых транзисторах, что позволяет получить большое входное сопротивление усилителя. Второй и последующие каскады выполнены по той же схеме, что и в первом усилителе.

Рисунок 2 - Принципиальная схема ОУ с полевыми транзисторами на входе

Задание к работе в лаборатории

5.1 Исследовать ОУ1, собранный в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 1. Для этого из папки ″Исслед. ОУ″ открыть файл ″Рисунок 1″.

5.2 Согласно варианта, заданного преподавателем, установить БТ дифференциального каскада VT1 и VT2, а так же эмиттерного повторителя VT8 из таблицы приложения А.

5.3 Снять характеристику прямой передачи ОУ1 U_ВЫХ = F(U_ВХ2).

Напряжение U_ВХ2 источника G2 следует изменять в обе стороны отнуля до такой величины, при которой наступает насыщение ОУ1. Переменное напряжение сигнала при этом отсутствует U_ВХ1=0. Результаты измерений вольтметром постоянного тока pV1 занести в таблицу 1.

Таблица 1

UВХ 2, мВ

0

0,1

0,2

…

- 0,1

- 0,2

…

UВЫХ, В

UСМ, мВ = …

UВЫХ МАКС = + …

UВЫХ МИН = - …

КU =