К лабораторным работам по курсу

«ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА»

для студентов факультета электроники

Всех форм обучения

Киев КПИ 2011

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

КИЕВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

«КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Фесечко В.А., Худякова Л.А., Сташкевич В.Ф.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ

«ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА»

для студентов факультета электроники

Всех форм обучения

Утверждено

На заседании кафедры

Физической и биомедицинской электроники

Протокол № 21 от 25.05.11

Киев КПИ 2011

Фесечко В. А. Методические указания к лабораторным роботам по курсу «Цифровая схемотехника» для студентов факультета электроники всех форм обучения/ В. А. Фесечко, Л. А. Худякова, В. Ф. Сташкевич.-

 

Гриф Методического совета НТУУ «КПИ»

(протокол № от)

 

Утверждено на заседании

кафедры физической и биомедицинской электроники

(протокол № 21 от 25.05.11)

 

 

Учебно-методическое издание

 

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

 

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Цифровая схемотехника» для студентов факультета электроники всех форм обучения

 

Составители: Владимир Афанасьевич Фесечко, канд. техн. наук, проф.

Людмила Александровна Худякова, ст. преподаватель

Владимир Филиппович Сташкевич, зав. лаборатории

 

Ответственный

редактор В. И. Тимофеев, доктор техн. наук, проф.

Рецензент О. В. Борисов, канд. техн. наук, проф.

 

За редакцией составителей

 

Введение

 

Быстрое развитие современной микроэлектроники и, в частности. Цифровой схемотехники сопровождается вовлечением в эту область все более широкого круга разработчиков новых функциональных узлов, устройств и систем, а также пользователей компонентной базы и традиционных схемотехнических решений в новых прикладных областях. При этом специалист в области цифровой схемотехники должен обладать обширными знаниями в способах математического описания функционирования цифровых схем на логическом и электрическом уровнях, знать современную компонентную базу цифровой схемотехники и предпочтительные области ее применения, свободно ориентироваться в промышленных сериях интегральных микросхем и перспективах их дальнейшего совершенствования, овладеть методами построения структур цифровых устройств и систем.

Методические указания содержат описание лабораторных работ по курсу «Основы схемотехники» разделы «Цифровая схемотехника» и «Устройства цифровой электроники», читаемого студентам факультета электроники, а также студентам соответствующих специальностей заочного факультета. Основной целью данного цикла лабораторных работ является закрепление теоретических знаний, полученных студентами при изучении лекционного материала, принципов построения функциональных узлов цифровой схемотехники.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Электронный ключ — основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов в нагрузке. Комбинации электронных ключей позволяют реализовать всевозможные переключательные функции в устройствах автоматики и вычислительной техники.

В качестве переключательных элементов электронных ключей широко используются полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и оптронные пары, работающие в режиме большого сигнала с ярко выраженными нелинейными свойствами.

Показатели качества электронного ключа — проводимость ключа в закрытом и открытом состоянии, чувствительность к управляющему сигналу и помехоустойчивость, температурная стабильность, мощность, отдаваемая в нагрузку, быстродействие.

Электронные ключи характеризуются следующими основными параметрами: U⁰ ₁,U¹ ₁ — граничные уровни нулевого и единичного входных сигналов; U_пор — пороговое напряжение; U⁰ _{2 ма х}, U¹ _{2 min} — граничные уровни нулевого и единичного выходных сигналов; Р^0,1 _пот — мощность, потребляемая от источника питающего напряжения при нулевом и единичном напряжении на выходе; t⁰¹ _з.р, t¹⁰ _з.р –– длительность задержки распространения сигнала через электронный ключ при переключении выходного потенциала соответственно из нулевого состояния в единичное и обратно; t⁰¹_ф , t¹⁰ _ф — длительность фронта нарастания и убывания выходного импульса.

В лабораторную работу № 1 «Ключи на транзисторах» входят:

 

1.1 Переключатель напряжения на биполярном транзисторе (рис.1.1)

1.2 Переключатель напряжения на МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис.1.1).

 

 

Рисунок 1.1

 

 

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ

ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы — исследовать статические и динамические характеристики электронного ключа на биполярном транзисторе (БТ), включенном по схеме с общим эмиттером, и схемных методов улучшения его параметров.

 

 

Описание исследуемой схемы

В лабораторную установку входят: универсальный лабораторный стенд «ИМПУЛЬС - М», генератор импульсов Г5-54 и осциллограф С1-55.

Исследуемый электронный переключатель напряжения собран на транзисторе VТ1 n-р-n типа ВС 846В (рис. 1.2), включенном по схеме с общим эмиттером.

В отсутствие входного импульса от генератора Г1 (U₁ = 0 В) транзистор заперт, так как U_эб меньше U_пор. На коллекторе транзистора VТ1 устанавливается высокий потенциал U¹ ₂ = E_k ≈ +5В. При подаче на вход ключа от генератора Г1 положительного импульса, амплитуда которого превышает пороговое напряжение ключа, транзистор переходит в активный режим, а затем в режим насыщения. На его коллекторе (выходе ключа) устанавливается низкий потенциал U⁰ ₂ =Uкн ≈ 0. Переходные процессы отпирания и запирания транзистора зависят от параметров входного сигнала, параметров и схемной реализации электронного ключа. Исследуемая схема позволяет определить влияние коллекторного сопротивления Rк = R₆ или R_к = R₆ ||R ₇ на статические и динамические параметры электронного ключа, емкости нагрузки С2 на динамические параметры, емкости ускоряющего конденсатора С1 и нелинейной обратной связи через диод VD1 на характер переходных процессов в транзисторном ключе. В ходе исследования переходных процессов переключения транзистора VT1 возникает необходимость определения диаграммы изменения во времени тока базы транзистора. Для этой цели в базу транзистора VT1 включен низкоомный резистор R4, напряжение на котором может быть проконтролировано в контрольных точках КТ2 и КТЗ лабораторного стенда.

 

 

Рисунок 1.2

 

Домашнее задание

 

1. Изучить работу электронного ключа и его схемных вариантов (с ускоряющим конденсатором, нелинейной обратной связью) в статическом и динамическом режимах. Изучить назначение компонентов электронного ключа и их влияние на статические и динамические параметры (В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий «Цифрова схемотехніка», 2009р, с.102-121; Ерофеев Ю.Н. Основы импульсной техники. 1979, с. 82-101, 125-142; Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990г.).

2. Проверить условие отсечки транзистора VT1 для температуры Т_окр = +80⁰ С, U⁰₁ = 0, если при Т_окр = +25⁰ С для транзистора ВС 846В и I_к0 < 1мкА. Определить U¹₂ при Т_окр = +80⁰ С и R_к = R_6.

3. Определить коэффициент насыщения транзистора VT1 при Т_окр = +25⁰ С, U⁰₁ = +5В для двух значений коллекторного сопротивления (R_к = R₆ и R_к =R₆ II R₇₎, если β = 350-1000.

 

 

Рабочее задание

1. Установить лабораторный стенд «ИМПУЛЬС - М» в режим «ЛАБ 1» с помощью переключателя лабораторных работ, который находится на задней панели стенда.

2. Включить кнопку СЕТЬ.

3. Снять и построить передаточную характеристику U₂ = f (U₁) и по ней определить статические параметры ключа U⁰ _1max, U¹ _1min, U⁰ ₂, U¹ ₂ при отключенных диоде VD1, конденсаторе C1 и сопротивлении R7.

Для этого на вход ключа необходимо подать положительный прямоугольный импульс длительностью t_вх = 100 мкс и частотой 1 кГц и изменяя его амплитуду U₁ определять амплитуду сигнала на выходе U₂. Значение U⁰_1max соответствует наибольшей амплитуде входного сигнала, при которой VT1 остается запертым, значение U¹_1min — наименьшей амплитуде входного сигнала, обеспечивающего насыщение транзистора VT1.

4. Повторить п.1 при подключенном диоде VD1 (нажать П1)

5. Повторить п.1 при подключенном конденсаторе С1 (нажать П2).

6. Повторить п.1 при подключенном резисторе R7 (нажать П4). Результаты измерений по пп. 2–5 свести в таблицу 1.1.

 

Таблица 1.1

Uвх , В
Uвых, В
VD1, В (П1 вкл)
C1, В (П2 вкл)
R7, В (П4 вкл)

 

7. Определить переходную характеристику U₂ (t) транзисторного ключа при его включении и выключении. При этом VD1, С1, R7, С2 – отключены. На вход ключа подать прямоугольный положительный импульс с амплитудой U¹₁ = 5 В, длительностью tвх = 40 мкс и частотой 10 кГц. При этом использовать внешнюю синхронизацию осциллографа от генератора прямоугольных импульсов. Зарисовать с учетом масштабов диаграммы входного U1(t) и выходного U2(t) импульсов. С помощью осциллографа определить динамические параметры ключа t⁰¹зд.р., t¹⁰зд.р., t⁰¹ф, t^{0 1}ф (При этом использовать на осциллографе временной масштаб, при котором можно наиболее точно определить параметры).

8. Повторить п.5 при подключенном диоде VD1 (нажат П1).

9. Повторить п.5 при подключенном конденсаторе С1 (нажат П2).

10. Повторить п.5 при подключенном конденсаторе С2 (нажат П3).

11. Повторить п.5 при подключенном резисторе R7 (нажат П4).

Примечание: Диаграммы выходного напряжения по пп. 6-11 построить на общем графике, динамические параметры ключа по пп. 6-11 свести в таблицу 1. 2.

Таблица 1.2

	t^01зд.р. мкс	t^10зд.р, мкс	t^01ф, мкс	t^10ф. мкс
R6 (П1-П4 откл)
VD1 (П1 вкл)
C1 (П2 вкл)
R7 (П4 вкл)
C2 (П3 вкл)

 

Выводы

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое коэффициент насыщения и как он зависит от параметров компонентов исследуемой схемы?

2. Объясните влияние нелинейной обратной связи на переходные процессы в ключе.

3. Объясните влияние ускоряющего конденсатора на переходные процессы в ключе.

4. Из каких соображений выбирается оптимальное значение емкости ускоряющего конденсатора?

5. Объясните влияние температуры окружающей среды на пороговое напряжение ключа и коэффициент насыщения транзистора.

6. Объясните влияние емкости нагрузки на динамические параметры ключа.