Элементная база аналоговой электроники

Введение

Аналоговая электроника является одним из основных разделов совремнной электроники, изучающих способы преобразования сигналов для передачи информации или энергии с помощи электрического тока. Современная электроника включает в себя большое количество разнообразных устройств, но их работа базируется на некоторых общих принципах, составляющих основу данной науки и дающих возможность как для использования типовых решений, так и для поиска новых – более оптимальных при конктретных технических условиях.

Особенностью данного курса является то, что в нем не только рассматривается работа типовых приборов и устройств аналоговой электроники, но также исследуется их роль при проектировании более сложных устройств, собранных на их основе, с учетом особенностей их работы, потребляемой мощности, КПД, и т.д.

Исходя из вышесказанного, главной задачей обучающегося является изучение особенностей работы типовых приборов и устройств аналоговой электроники, а также освоение типовых методик, предназначенных для испытаний устройств, построения их статических, временных и частотных характеристик.

Успешное освоение приведенного материала позволит обучающимся получить необходимый опыт при работе с аналоговой электронной аппаратурой для его использования в последущей профессиональной деятельности.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В этом разделе изучаются простейшие приборы аналоговой электроники, на базе которых могут быть собраны более сложные устройства. При изучении материала данного раздела обучающемуся следует обратить внимание на методику получения статических характеристик и определения по ним актуальных для данного прибора статических или (и) динамических параметров.

Лабораторно-практическая работа №1

Лабораторно-практическая работа №2

Лабораторно-практическая работа №3

Лабораторно-практическая работа №4

Лабораторно-практическая работа №5

Лабораторно-практическая работа №6

Лабораторно-практическая работа №7

Лабораторно-практическая работа №8

Лабораторно-практическая работа №9

ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В этом разделе изучаются типовые схемы усилителей на транзисторах. При изучении данного раздела следует обратить внимание на принцип работы каждого из усилителей, способы создания в нем положения рабочей точки и особенности его применения; важным является также освоение обучающимися методики экспериментального исследования динамических параметров усилителей и измерение их логарифмических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ).

Лабораторно-практическая работа №10

Лабораторно-практическая работа №11

Лабораторно-практическая работа №12

Лабораторно-практическая работа №13

Лабораторно-практическая работа №14

Лабораторно-практическая работа №15

Лабораторно-практическая работа №16

СХЕМЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

В этом разделе изучаются наиболее распространенные схемы на операционных усилителях (ОУ), которые могут быть применены для проектирования самого широкого спектра устройств современной электроники; особое внимание следует обратить на практическое применение представленных схем, а также на их особенности и специфику их использования в зависимости от особенностей входного сигнала (частоты, амплитуды, и т.д.).

Лабораторно-практическая работа №17

Усилительные схемы

 

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Изучить особенности ОУ и их основные параметры.

2. Исследовать усилительные схемы на ОУ; построить их ЛАЧХ.

3. Сделать выводы об особенностях применения исследованных схем.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционный усилитель (ОУ) это аналоговая микросхема, предназначенная для усиления и преобразования аналоговых сигналов. Основными особенностями ОУ являются: бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению K_U (от 10⁵ до 10⁶), бесконечно малое входное (порядка 1 Ом) и бесконечно большое выходное сопротивление (порядка 1 МОм).

Болшая величина K_U позволяет вводить в схему на ОУ глубокую ООС, наличие которой позволяет установить для данной схемы коэффициент усиления K_ООС, не зависящий от значения K_U и поэтому обладающий высокой стабильностью. У практических схем на ОУ эта величина задается коэффициентом ООС β согласно формуле:

Болшое входное сопротивление позволяет считать ОУ устройством, работающим в режиме холостого хода, так что входные токи ОУ можно считать равными нулю.

Малое выходное сопротивление позволяет считать ОУ практически источником напряжения, то есть, все напряжение на выходе ОУ прикладывается к нагрузке при любом (физически допустимом) токе, протекающем через ОУ.

ОУ имеет два входа: прямой и инверсный. Напряжение на прямом входе всегда совпадает по фазе с выходным напряжением, а напряжение на инверсном всегда противоположно по фазе выходному. Для работы ОУ также требуется двуполярный источник питания.

Неинвертирующая схема на ОУ показана на рис. 17.1. В ней делитель напряжения R₁, R₂ задает ООС, определяющую ее величину K_U. Коэффициент усиления схемы рассчитывается по формуле:

Неинвертирующая схема неприменима для операций и используется, в основном, в усилительных схемах.

Инвертирующая схема на ОУ показана на рис. 17.2. ООС по току в ней задается резисторами R₁ и R₂, которая определят ее величину K_U, определяемую по формуле:

Неинвертирующая схема, кроме усилительной, часто применяется для операций с аналоговым сигналом в качетве масштабирующего усилителя, коэффициент усиления которого может быть больше или меньше единицы. Такие усилители применяются, например, в измерительных устройствах, для масштабирования измеренного напряжения.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать неинвертирующую схему (рис. 17.1) и измерить ее ЛАЧХ во всем звуковом диапазоне для различных величин K_U, равных 10; 25 и 50; результаты измерений занести в табл. 17.1.

2. Собрать инвертирующую схему (рис. 17.2) и измерить ее ЛАЧХ во всем звуковом диапазоне для различных величин K_U, равных 10; 25 и 50; результаты измерений занести в табл. 17.2.

3. Построить ЛАЧХ для обеих схем в логарифмическом масштабе.

Рис. 17.1 Схема для исследования неинвертирующего усилителя

 

Рис. 17.2 Схема для исследования инвертирующего усилителя

 

Напряжение входного сигнала рекомендуется ставить равным 0,1 В.

 

 

Табл. 17.1 Данные для построения ЛАЧХ неинвертирующей схемы
при KU = 5 (R2 = 40 кОм)
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 25 (R2 = 240 кОм)
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 50 (R2 = 490 кОм)
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

 

Табл. 17.2 Данные для построения ЛАЧХ инвертирующей схемы
при KU = 5 (R2 = 50 кОм)
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 25 (R2 = 250 кОм)
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 50 (R2 = 500 кОм)
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

 

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованные усилительные схемы.

2. ЛАЧХ для всех величин K_U неинвертирующей схемы.

3. ЛАЧХ для всех величин K_U инвертирующей схемы.

4. Выводы по работе.

ВЫВОДЫ

1. Уникальные параметры ОУ позволяют устанавливать в усилителях на их основе значения коэффициентов усиления при помощи параметра β в широком частотном диапазоне.

2. С ростом коэффициента усиления K_U ширина частотного диапазона, в которой поддерживается данная величина K_U несколько сужается, однако на практике в усилительных схемах редко устанавливаются величины K_U, большие 10 – 20.

Операционные схемы

 

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Изучить особенности работы интегрирующей дифференцирующей схем на ОУ.

2. Построить ЛАЧХ для обеих схем в звуковом диапазоне частот.

3. Сделать выводы об особенностях применения исследованных схем.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционные схемы на ОУ предназначены для обработки аналоговых сигналов; с их помощью можно производить практически любые математические операции с аналоговыми сигналами, не прибегая к использованию средств цифровой и микропроцессорной техники.

Интегрирующая схема на ОУ позволяет получать на выходе сигнал, пропорциональный интегралу от входногно сигнала, то есть:

Основным практическим применением такой операции является вычисление среднего значения за некоторый интервал времени Δt, которое, как известно из математического анализа, будет равно:

Значит, для отыскания величины U_СР следует определить, на какую величину изменилось напряжение на выходе интегратора в период времени Δt и промасштабировать его определенным образом (разделить на величину RCΔt).

На выходе дифференцирующей схемы имеется напряжение, пропорциональное производной входного сигнала, то есть:

Значит, дифференцирующая схема позволяет определять скорость изменения входного напряжения, что делает возможным создавать на ее основе, например, датчик скорости какой-либо величины по известному закону изменения координаты.

Недостатком применения дифференцирующей схемы является ее чусвтвительность к помехам в том случае, когда частота сигнала намного меньше частоты помехи (например, при обработке медленно изменяющегося сигнала на выходе датчика при наличии в нем 50-ти герцовой помехи сети).

ЛАЧХ интегрирующей схемы имеет линейный, убывающий характер, поскольку модуль коэффициента усиления этой схемы можно записать следующим образом:

Тогда для ЛАЧХ можно записать:

При логарифмическом масштабе по оси частот это соответствует линейно убывающей функции.

ЛАЧХ дифференцирующей схемы имеет линейный, возрастающий характер, поскольку модуль коэффициента усиления этой схемы можно записать следующим образом:

Тогда для ЛАЧХ можно записать:

При логарифмическом масштабе по оси частот это соответствует линейно возрастающей функции.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать интегрирующую схему (рис. 18.1) и измерить ее ЛАЧХ во всем звуковом диапазоне; результаты измерений занести в табл. 18.1.

2. Собрать дифференцирующую схему (рис. 18.2) и измерить ее ЛАЧХ во всем звуковом диапазоне; результаты измерений занести в табл. 18.2.

3. Построить ЛАЧХ для обеих схем в логарифмическом масштабе.

Рис. 18.1 Схема для снятия ЛАЧХ интегрирующей схемы

 

Замечание. При снятии ЛАЧХ интегрирующей схемы следует вначале установить входное напряжение U_ВХ порядка 10 В, а затем, по мере увеличения частоты, снижать величину U_ВХ так, чтобы на выходе схемы всегда присутствовало напряжение порядка нескольких вольт. Осциллограф необходим для визуалного наблюдения выходного сигнала на случай появления неилнейных искажений.

Рис. 18.2 Схема для снятия ЛАЧХ дифференцирующей схемы

 

Замечание. При снятии ЛАЧХ дифференцирующей схемы следует вначале установить входное напряжение U_ВХ порядка 1 В, а затем, по мере увеличения частоты, повышать величину U_ВХ так, чтобы на выходе схемы всегда присутствовало напряжение порядка нескольких вольт. Осциллограф также необходим для визуалного наблюдения выходного сигнала на случай появления неилнейных искажений.

 

Табл. 18.1 Данные для построения ЛАЧХ интегрирующей схемы
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

 

Табл. 18.2 Данные для построения ЛАЧХ дифференцирующей схемы
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

 

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованные операционные схемы.

2. ЛАЧХ для интегрирующей схемы.

3. ЛАЧХ для дифференцирующей схемы.

4. Выводы по работе.

ВЫВОДЫ

1. ЛАЧХ интегрирующей схемы в начале исследованного частотного диапазона имеет линейно убывающий характер, но, по мере роста частоты, ее характер становится нелинейным вследствие частотных искажений в самой микросхеме ОУ; аналогичные явления происходят и в дифференцирующей схеме.

2. Исследованные в данной работе схемы могут быть применены в устройствах обработки аналоговых сигналов или для аналоговых вычислений.

Активные фильтры

 

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Изучить особенности работы фильтра Саллена и Кея на ОУ.

2. Построить ЛАЧХ фильтра для диапазона звуковых частот, для различных значений коэффициента усиления.

3. Сделать выводы о применимости исследованного фильтра.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Активными называются электрические фильтры, преобразующие спектр входного сигнала при помощи внешнего (в случае с ОУ необходимо наличие двух источников) источника напряжения.

Применение ОУ позволяет реализовать ЛАЧХ RLC-цепи, имеющей большую скорость спада в области частоты среза, нежели это способна обеспечить RC-цепь. Такое решение позволяет применять данный фильтр на низких частотах, на которых нецелесообразно применять индуктивности.

Для исследуемого фильтра Саллена и Кея полоса пропускания может быть более или менее плоской, в зависимости от коэффициента усиления схемы, который не может превышать 3. При этом максимально плоской ЛАЧХ соответствует K = 1,6. Такой фильтр носит название фильтра Баттерворта и применяется в том случае, когда к полосе пропускания фильтра предъявляются соответствующие требования. Однако использование фильтров с другими величинами K также может быть оправдано, поскольку неравномерность ЛАЧХ в области полосы пропускания позволяет существенно усилить некоторую часть спектра по амплитуде, что может быть полезным в ряде случаев.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему фильтра Саллена и Кея (рис. 20.1) и произвести измерения ЛАЧХ при различных значениях коэффициента усиления.

2. Результаты измерений занести в табл. 20.1.

3. Построить ЛАЧХ фильтра на одной системе координат, в логарифмическом масштабе.

Рис. 20.1 Схема для снятия ЛАЧХ фильтра Саллена и Кея

 

Табл. 20.1 Данные для построения ЛАЧХ при различных значениях коэффициента усиления
при R2 = 27 кОм
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = R2 =51 кОм
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при R2 = 75 кОм
f, гц	30	50	300	10^3	2∙10^3	5∙10^3	20∙10^3
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

 

 

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованная схема активного фильтра.

2. Измеренные ЛАЧХ.

3. Выводы по работе.

ВЫВОДЫ

1. Применение ОУ позволяет реализовать ЛАЧХ LC-фильтра без применения катушки индуктивности, использование которой нецелеообразно на низких частотах.

2. Недостатком исследованного фильтра является необходимость в двуполярном источнике напряжения. При невозможности реализовать двуполярное питание следует использовать активные фильтры на транзисторах.

Умножитель напряжений

 

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Изучить особенности работы умножителя напряжений и возможности его применения.

2. Исследовать схему электронного ваттметра на основе умножителя напряжений.

3. Сделать выводы о применимости схемы умножителя напряжений.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Принцип умножения напряжений заключается в том, чтобы реализовать усилительную схему, в которой коэффициент усиления зависел от величины некоторого внешнего сигнала, то есть, был бы некоторой функцией от времени. Так, например, при синусоидальной форме сигнала K(t) = U_m1sin(ω₁t), выходное напряжение будет иметь вид:

Здесь u_ВХ(t) = U_m2sin(ω₂t) и, для определенности, ω₂ > ω₁.

Таким образом, выходное напряжение будет являться произведением двух синусоидальных напряжений u₁ и u₂.

В курсе радиотехники доказывается, что напряжение такого вида содержит спектральные составляющие на частотах, равные ω₂ – ω₁ и ω₂ + ω₁. Это свойство унапряжения на выходе умножителя позволяет конструировать на его основе различного рода электронные устройства, такие как электронный ваттметр или преобразователь спектра.

В электронном ваттметре для частот выполняется условие ω₂ = ω₁, но при этом следует учитывать разность фаз между двумя входными сигналами. В этом случае выражение (20.1) будет записано так:

Применив известную формулу из тригонометрии, получим:

Если в этом сигнале подавить частоту 2ω, то оставшаяся постоянная составляющая будет содержать информацию о сдвиге фаз, необходимую для расчета активной мощности в цепи переменного тока:

Зная амплитуды обоих сигналов можно определить искомую величину сдвига фаз Δφ.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему измерителя сдвига фаз (рис. 21.1) и построить для нее передаточную характеристику U₀ = F(Δφ); результаты измерений занести в табл. 21.1.

2. Сделать выводы по работе.

Рис. 21.1 Схема для исследования измерителя сдвига фаз

 

Табл. 21.1 Данные для построения передаточной характеристики измерителя сдвига фаз U0 = F(Δφ)
Δφ	0	15	30	45	60	75	90
U0, B

 

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованная схема измерителя сдвига фаз.

2. Передаточная характеристика U₀ = F(Δφ).

3. Выводы по работе.

ВЫВОДЫ

1. Принцип действия исследованного умножителя напряжений основан на свойстве МОП-транзистора изменять свое сопротивление переменному току при воздействии на него управляющего напряжения.

2. Для выделения постоянной составляющей в исследованной схеме следует применить фильтр нижних частот, включив его на выходе умножителя.

 

 

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

В этом разделе изучаются простейшие блоки, осуществляющие преобразование постоянного тока в импульсный для коструирования различного рода импульсных устройств. При изучении материала обучающемуся следует обратить внимание на особенности импульсного режима работы, в частности, на возможность существееного повышения их КПД, что является их основным достоинством.

ПРИМЕРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

В этом разделе изучаются примеры исполнения устройств, совершающих определенные преобразования электрических сигналов. При изучении материала данного раздела обучающемуся следует обратить внимание на логику работы исследуемых устройств, определяемую, главным образом, функциональностью данного устройства и предъявляемыми к нему техническими требованиями.

Введение

Аналоговая электроника является одним из основных разделов совремнной электроники, изучающих способы преобразования сигналов для передачи информации или энергии с помощи электрического тока. Современная электроника включает в себя большое количество разнообразных устройств, но их работа базируется на некоторых общих принципах, составляющих основу данной науки и дающих возможность как для использования типовых решений, так и для поиска новых – более оптимальных при конктретных технических условиях.

Особенностью данного курса является то, что в нем не только рассматривается работа типовых приборов и устройств аналоговой электроники, но также исследуется их роль при проектировании более сложных устройств, собранных на их основе, с учетом особенностей их работы, потребляемой мощности, КПД, и т.д.

Исходя из вышесказанного, главной задачей обучающегося является изучение особенностей работы типовых приборов и устройств аналоговой электроники, а также освоение типовых методик, предназначенных для испытаний устройств, построения их статических, временных и частотных характеристик.

Успешное освоение приведенного материала позволит обучающимся получить необходимый опыт при работе с аналоговой электронной аппаратурой для его использования в последущей профессиональной деятельности.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В этом разделе изучаются простейшие приборы аналоговой электроники, на базе которых могут быть собраны более сложные устройства. При изучении материала данного раздела обучающемуся следует обратить внимание на методику получения статических характеристик и определения по ним актуальных для данного прибора статических или (и) динамических параметров.