Техносфера - Практические основы аналоговых и цифровых схем

Содержание

Список рисунков

Список таблиц

Информация об авторах

Предисловие

Благодарность

Введение

Знакомство с измерительной техникой

1.1

Мультиметр

1.2

Макетирование

1.2.1

Измерение напряжения

1.2.2

Измерение тока; изучение закона Ома

1.2.3

Измерение сопротивления

1.3

Осциллограф

1.3.1

Щупы осциллографа и их настройка

1.3.2

Настройка экрана

1.3.3

Регулировка по вертикали

1.3.4

Горизонтальная развертка

1.3.5

Запуск

1.3.6

Дополнительные возможности

RС-цепи

2.1

Конденсаторы

2.1.1

Использование конденсаторов в цепях переменного тока

2.1.2

Обозначения конденсаторов

2.2

Ток, напряжение и мощность

2.2.1

Демонстрация разрушения резистора из-за превышения номинальной мощности

2.3

Использование потенциометра в качестве делителя напряжения

2.3.1

Делитель постоянного напряжения

2.3.2

Делитель переменного напряжения

2.4

RС-цепи

2.5

Интегрирующая RС-цепь

2.6

Фильтр нижних частот

2.7

Дифференцирующая RС-цепь

2.8

Фильтр высоких частот

2.9

Выводы по теме фильтров

Диоды

3.1

Физический принцип действия полупроводниковых диодов

3.2

Типы диодов

3.3

Выпрямление

3.4

Принцип работы диодов – более глубокое описание

3.5

Определение вольтамперной характеристики диода

3.6

Изучение процесса выпрямления

3.7

Входной и выходной импеданс

Биполярные транзисторы

4.1

Физический принцип действия биполярных транзисторов

4.1.1

Основные определения

4.1.2

Самый простой способ анализа транзисторных схем

4.1.3

Модель Эбера-Молла

4.2

Практикум по транзисторам

4.2.1

Проверка транзисторов при помощи омметра

4.2.2

Эмиттерный повторитель

4.2.3

Усилитель с общим эмиттером

4.2.4

Коллектор как источник тока

4.2.5

Транзисторный ключ

4.3

Дополнительные упражнения

4.3.1

Схема Дарлингтона

4.3.2

Двухтактная схема

4.3.3

Усилитель с общей базой

Полевые транзисторы

5.1

Полевые транзисторы

5.1.1

Характеристики полевых транзисторов

5.1.2

Моделирование работы полевых транзисторов

5.2

Упражнения

5.2.1

Определение характеристик полевых транзисторов

5.2.2

Источник тока на полевых транзисторах

5.2.3

Истоковый повторитель

5.2.4

Усилитель на полевом транзисторе

Дифференциальные усилители

6.1

Дифференциальный усилитель

6.1.1

Принцип действия

6.1.2

Расчет коэффициента дифференциального усиления

6.1.3

Измерение коэффициента дифференциального усиления

6.1.4

Входное напряжение смещения

6.1.5

Коэффициент усиления синфазного сигнала

6.2

Схемы, используемые для построения операционных усилителей

6.2.1

Токовое зеркало

6.2.2

Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом в цепи нагрузки

6.2.3

Улучшенная схема токового зеркала

6.2.4

Схема токового зеркала Уилсона

Введение в операционные усилители

7.1

Операционный усилитель 741

7.1.1

Выводы ОУ и подсоединение питания

7.1.2

Идеальный операционный усилитель

7.1.3

Коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя

7.1.4

«Золотые» правила при работе с операционными усилителями

7.1.5

Реальный операционный усилитель

7.2

Практикум по операционным усилителям

7.2.1

Определение коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи

7.2.2

Инвертирующий усилитель

7.2.3

Неинвертирующий усилитель

7.2.4

Повторитель напряжения

7.2.5

Дифференциальный усилитель

7.3

Дополнительные упражнения

7.3.1

Источник тока

7.3.2

Неинвертирующий сумматор на операционном усилителе

Применение операционных усилителей

8.1

Преобразователи сигналов на основе операционных усилителей

8.1.1

Дифференциатор

8.1.2

Интегратор

8.1.3

Логарифмический и экспоненциальный усилители

8.2

Практикум по применению операционных усилителей

8.2.1

Дифференциальный и интегральный усилители

8.1.2

Логарифмический и экспоненциальный усилители

8.1.3

Выпрямитель на операционном усилителе

8.1.4

Операционный усилитель с двухтактным усилителем мощности

8.3

Дополнительные упражнения

Компараторы и генераторы

9.1

Практикум по компараторам и интеграторам

9.1.1

Компаратор на операционном усилителе

9.1.2

Паразитная обратная связь: возникновение колебаний

9.1.3

Положительная обратная связь: построение триггера Шмитта

9.1.4

RС релаксационный генератор

9.1.5

Микросхема таймера 555

9.2

Дополнительные упражнения

9.2.1

Использование таймера 555 в качестве сигнального устройства

9.2.2

Генератор периодических сигналов (sin/cоs)

9.2.3

Активный полосовой фильтр

Комбинационная логика

10.1

Основы цифровой логики

10.1.1

Логические уровни

10.1.2

Семейства логических элементов и их история

10.1.3

Логические ключи

10.1.4

Основные выражения алгебры логики

10.2

Сравнение КМОП и ТТЛ

10.2.1

Диодная логика

10.2.2

Транзистор-транзисторная логика (ТТЛ)

10.2.3

КМОП логические схемы

10.2.4

Питание ТТЛ и ТТЛ-совместимых интегральных схем

10.3

Практикум по логическим элементам

10.3.1

Индикаторы логических уровней на светодиодах и переключатели логических уровней

10.3.2

КМОП-транзисторы

10.3.3

КМОП схема «И-НЕ»

10.3.4

Использование схемы «И-НЕ» для выполнения других логических функций

10.3.5

Четыре ТТЛ ключа «И-НЕ» в одной микросхеме

10.4

Дополнительные упражнения

10.4.1

Четырехразрядный компаратор на базе микросхемы 7485

Триггеры

11.1

Комментарии к материалу

11.1.1

Схемы

11.1.2

Макетная плата

11.1.3

Синхронизация логических элементов

11.1.4

Временные диаграммы

11.2

Принцип действия триггеров

11.2.1

Простой RS-триггер

11.2.2

D-триггер

11.3

JК-триггер

11.4

Трехстабильные выходы

11.5

Применение триггеров

11.5.1

Деление на 4 при помощи JK-триггеров

11.5.2

Дребезг контактов

11.5.3

Электронная игра «Подбрасывание монеты»

Одновибраторы, счетчики, мультиплексоры и ОЗУ

12.1

Мультивибраторы

12.2

Счетчики

12.3

Практикум по одновибраторам, счетчикам, мультиплексорам и ОЗУ

12.3.1

Сдвоенный четырехразрядный счетчик с переносом

12.3.2

Одновибратор

12.3.3

Мультиплексор и устройство с конечным числом состояний

12.3.4

ОЗУ

Аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи

13.1

Простой R-2R цифроаналоговый преобразователь

13.2

Следящий АЦП

13.3

Микросхемы ЦАП и АЦП

13.3.1

АЦП последовательного приближения

13.4

Дополнительные упражнения

13.4.1

Цифровая запись

13.4.2

АЦП последовательного приближения, построенный из отдельных компонентов

Дополнительная литература

Приложение А Оборудование и коплектующие

Приложение В Сокращения и обозначение схем

Приложение С Анализ частотных характеристик RС-цепей

Приложение D Выводы элементов

Глоссарий основных электрических и электронных терминов

Указатель

3 Диоды
Глава посвящена описанию полупроводниковых диодов и схем, в которых они используются. В отличие от резисторов, закон Ома в диодах не применяется, так как зависимость тока и напряжения – экспоненциальная.
Требуемая аппаратура: макетная плата, один или два цифровой универсальных измерительных прибора, диоды 1N914 и 1N4001, резисторы 100 Ом, 10 кОм на 0,25 Вт, 1 кОм на 2 Вт, трансформатор на 12,6 Вrms, мостовая диодная схема, электролитические конденсаторы 100 Ф и 1000 Ф.
3.1 Полупроводники
Ток, протекающий в какой-либо среде, - это поток носителей заряда. Электрическое поле направляет их движение. В проводниках, таких как медь, масса носителей заряда (электронов), готовых передвигаться в электрическом поле. В изоляторах, таких как алмаз, практически нет носителей заряда, все электроны прочно удерживаются в кристаллической решетке. Полупроводники, такие как кремний и германий, по своим свойствам проводить ток находятся в промежуточном положении. Проводимость полупроводников увеличивается легированием. У кремния, например, четыре валентных электрона, у фосфора – пять, а у бора - три. Если в кристалл кремния вместо атома кремния поместить атом фосфора, то один электрон фосфора не будет связан валентными связями и сможет покинуть кристаллическую решетку. Если в кристалл кремния вместо атома кремния поместить атом бора, то одна валентная связь бора будет свободна и способна будет захватить свободный электрон. В первом случае получается полупроводник n-типа, во втором – р-типа. Если к полупроводнику n-типа приложить электрическое поле, то свободные электроны образуют поток отрицательного заряда. Если к полупроводнику р-типа приложить электрическое поле, то «дыры» образуют поток положительного заряда. Если в одном кристалле создать зоны двух типов полупроводников, то свободные электроны из одной зоны могут занимать дыры другой зоны. Между зонами образуется переход (см. рис.3.1).
Рис.3.1 Переход между полупроводниками n-типа и р-типа. Inter…Внутренне электрическое поле p-type…р-тип n-type…n-тип Hole…дыра selicon…кремний германий boron….бор алюминий arsenic…мышьяк фосфор
Если внешнее электрическое поле совпадает с внутренним полем, то вокруг перехода образуется обедненная зона, - свободные электроны и дыры покинут ее в противоположных направлениях (см. рис.3.2). А если внешнее электрическое поле будет противоположным внутреннему полю, свободные электроны и дыры движутся к переходу. Полупроводниковый диод – это прибор, основанный на свойствах рn-перехода легированного кремния (см. рис.3.2). Металлический электрод поставляет в n-зону свободные электроны, которые после прохождения перехода соединяются с дырами.
Рис.3.2 Схема образования тока в диоде. Elec…электрическое поле Free…свободные электроны p-type…р-тип n-type…n-тип Depl…обедненная зона Forwa…прямое смещение Revers…обратное смещение
Ток в диоде определяется уравнение:
(3.1)
где Is – ток насыщения, е – заряд электрона, V – напряжение на переходе, n – эмпирический коэффициент, k – постоянная Больцмана, Т – температура перехода в градусах Кельвина. Для упрощения n = 1. Рисунок 3.3 иллюстрирует формулу 3.1.
Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов. Forw…прямой ток Reverse Break…реверсивный пробой Reverse Curr…обратный ток diode…диод
В случае, если напряжение в материале р-типа более положительное, чем в n-типа, то диод является прямо смещенным (V > 0). В случае, если напряжение в материале р-типа более отрицательное, чем в n-типа, то диод является обратно смещенным (V < 0) (см. рис.3.3).
Некоторые упрощения
В прямо смещенном диоде, когда напряжение намного больше 100 мВ, единицей в уравнении 3.1 можно пренебречь:
(3.2)
В обратно смещенном диоде, когда напряжение намного больше -100 мВ, влияние экспоненты незначительное, поэтому реверсивный ток будет:
I  -Is (3.3)
3.2 Типы диодов
Кроме стандартных диодов с np-переходом сконструированы некоторые специализированные диоды, например светоизлучающие диоды Шотки, в которых np-переход выполнен из GaAsP. Данный переход функционирует так же, как переход в кремнии, только в прямо смещенном состоянии диод излучает свет, - инфракрасный, красный, оранжевый, желтый, зеленый или голубой. Кроме того, падение напряжения прямого смещения в два раза больше, чем у обычных диодов.
Диоды Шотки обладают еще одним полезным свойством: они способны функционировать в режиме обратного смещения, в то время как обычные диоды разрушаются при определенном напряжении обратного смещения (напряжении пробоя). Более того, диоды Шотки используются в основном в режиме пробоя. Рабочее напряжение пробоя устанавливается в процессе легирования полупроводника. Обычно оно составляет 75 В. Металлический проводник подсоединяется к полупроводнику n-типа, и электроны стекают на него. Диоды Шотки обладают высоким быстродействием и низкой емкостью.
Большинство диодов представляют собой маленький цилиндр с двумя выводами (см. рис.3.4). Для определения назначения каждого вывода, корпус диода маркируется символом диода, или иногда цветное кольцо на корпусе возле одного вывода указывает на катод (см. рис.3.4). Изготовители диодов предоставляют потребителям сертификат, в котором указаны максимальный ток, напряжение прямого смещения, ток утечки, напряжение пробоя, скорость переключения диодов (см. табл. 3.1).
Рис. 3.4 Маркировка диодов. Anod…анод catho…катод Ring…кольцо Glass…стеклянный корпус
Таблица 3.1 Параметры диодов

Диод
Назначение
Тип
Максимальная мощность
Вт
Максимальный ток прямого смещения
А Максимальное напряжение прямого смещения и соответствующий ток
В & A
Напряжение пробоя
В
Емкость
пФ
1N914 Малые сигналы 0,5 0,3 1,0 & 0,01 75 4,0
1N4001 Выпрямители 1,0 1,1 & 1,0 50 8,0
1N4004 Выпрямители 1,0 1,1 & 1,0 400 8,0
1N5402 Выпрямители 3,0 1,1 & 3,0 200 40
FR601 Быстро-действующий выпрямитель 6,0 1,3 & 6,0 50 200
MBD301 Диод Шотки 0,28 0,1 0,6 & 0,01 30 1,0
1N4733A Диод Зенера
(стабилитрон) 1,0 1,2 & 0,2 5,1
3.3 Выпрямители
Выпрямитель – это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Диод является универсальным прибором для осуществления такого преобразования. При напряжении прямого смещения диод обладает практически нулевым сопротивлением, не зависящим от величины тока. При напряжении обратного смещения диод обладает практически бесконечным сопротивлением, ток не течет (см. рис.3.3). Минимальное напряжение прямого смещения кремниевых диодов составляет 600 мВ, а германиевых 300 мВ.
3.4 Динамическое сопротивление диода
Динамическое сопротивление диода определяется дифференцированием уравнения 3.1:
(3.4)
Отсюда динамическое сопротивление будет:
(3.5)
(3.6)
Так как при комнатной температуре Т = 300 К, то можно сделать упрощения:
(3.7)
Следовательно, динамическое сопротивление прямо смещенного диода составляет:
(3.8)
3.5 Измерение характеристик диода
Как и раньше, необходимо соблюдать определенные правила, чтобы не сжечь потенциометр 1 кОм: перед началом монтажа схемы необходимо выключить питание, дважды проверьте корректность монтажа.
Предупреждение: применяемый в схеме диод легко разрушается при прямом токе больше 50 мA.
Задание
Для схемы, изображенной на рис.3.5, рассчитайте максимальный ток и максимальную мощность рассеивания на резисторе 100 Ом. Можно ли применять в этой схеме резистор на 0,25 Вт?
Рис.3.5 Схема для измерения характеристик диода. Amm…амперметр DMM…цифровой универсальный измерительный прибор или осциллограф Grow…земля
Задание
Для диода 1N914 измерение его характеристик производится по схеме на рис. 3.5: напряжение нужно увеличивать по шагам от нуля до 100 мВ и записывать для каждого значения напряжения ток на диоде.
Задание
Постройте график зависимости тока от напряжения по результатам эксперимента. Используйте линейную шкалу осей координат. Соответствует ли график уравнению 3.1?
Если прологарифмировать уравнение 3.2, получим:
(3.9)
Задание
Постройте график зависимости ln I от напряжения. Получается ли линейный график? Как наклон графика связан с показателем e/kT? Какому значению n из уравнения 3.1 соответствует наклон графика?
Задание
Теперь на диоде необходимо изменить напряжение на реверсивное и установить номинал 5 В. Какой реверсивный ток Вы наблюдаете? Как этот ток согласуется с током насыщения для кремниевого диода?
Задание
Отсоедините универсальный измерительный прибор (или осциллограф). Какой ток Вы наблюдаете? Подсоедините прибор обратно и отсоедините диод. Какой ток в схеме? Что Вы можете сказать о входном сопротивлении прибора? Поясните возможность применения закона Ома к зависимости устанавливаемого Вами напряжения и наблюдаемого тока.
Можете ли Вы сказать, почему идеальный вольтметр должен иметь бесконечное сопротивление, а идеальный амперметр нулевое сопротивление?
3.6 Изучение процесса выпрямления переменного тока
Большинство электронных систем нуждается в источниках постоянного тока. В портативных устройствах используются батареи. А большинство стационарного электронного оборудования укомплектовано источниками питания, в которых происходит понижение напряжения сети и его выпрямление. Стандартная электрическая сеть 230 В 50 Гц – это переменное напряжение с частотой 50 Гц и напряжением rms 230 В. Амплитуда такого напряжения вычисляется по формуле:
(3.10)
или
(3.11)
Задание
Смонтируйте схему, изображенную на рис.3.6.а. В качестве сопротивления нагрузки RL используйте резистор 10 кОм. Получите изображение выходного напряжения на дисплее осциллографа. Измерьте амплитуду выходного напряжения и rms напряжение. Проверьте формулу 3.11. Следует заметить, что из-за омического сопротивления обмоток трансформатора, измерение не будет совпадать с расчетом.
Рис. 3.6 Трансформатор на 25 В:
а) схема;
б) диаграмма напряжения на выходе схемы.
120 В Trans…трансформатор Сenter…центральное ответвление fus…предохранитель
Задание
Чтобы получить полупериодное выпрямление напряжения, добавьте в схему диод 1N4001 согласно схеме на рис. 3.7.а.
Рис. 3.7. Трансформатор с полупериодным выпрямлением: а. схема; b. диаграмма напряжения на выходе схемы. Trans…трансформатор Rect…диод fus…предохранитель
Задание
С помощью осциллографа измерьте амплитуду выходного напряжения схемы.
Задание
Сравните амплитуды двух измерений. За счет чего уменьшилось напряжение? Совпадает ли результат с расчетами? Объясните.
Задание
Измерьте среднее напряжение VAV на нагрузке вольтметром постоянного тока. Проверьте формулу среднего напряжения для полупериодного выпрямителя:
(3.12)
Задание
Добавьте в схему фильтрующий конденсатор, - подключите его параллельно нагрузке в соответствии со схемой на рис. 3.8.а.
Рис. 3.8. Полупериодный выпрямитель со сглаживающим фильтром: а. схема; b. диаграмма напряжения на выходе схемы; с. упрощение диаграммы напряжения на выходе схемы. . Trans…трансформатор Rect…диод fus…предохранитель Ripp…пульсации напряжения
Задание
Какое максимально допустимое напряжение Вашего конденсатора? Убедитесь, что оно больше напряжения в схеме!
Задание
Измерьте пульсации напряжения на выходе схемы (см. рис.3.8.b). Обратите внимание на настройку осциллографа по вертикали, так как производится измерение малых сигналов, и точность измерения очень важна.
Упрощение диаграммы выходного напряжения схемы (см. рис.3.8.с) обусловлено предположением того, что конденсатор заряжается до максимального приложенного напряжения мгновенно и разряжается с постоянной скоростью dQ/dt, равной среднему току на нагрузке. Средний ток на нагрузке можно определить, зная сопротивление резистора RL, измерив среднее напряжение на нагрузке, и используя формулу: Q = CV.
Задание
Рассчитайте пульсации выходного напряжения и сравните с измерениями. Каков процент различия? Совпадает ли этот процент с допусками на номинал компонентов схемы? Объясните.
Задание
Замените электролитический конденсатор 100 Ф на конденсатор 1000 Ф. Рассчитайте пульсации выходного напряжения схемы с новым конденсатором. Они уменьшились или увеличились? Объясните.
Задание
Измерьте пульсации выходного напряжения схемы и сравните их с расчетами.
Двухполупериодное выпрямление должно уменьшить пульсации вдвое. Такое выпрямление можно получить, подключив два диода к центральной отводке вторичной обмотки трансформатора или используя мостовую диодную схему. Мостовая схема выпрямителя выпускается единым модулем с четырьмя диодами внутри. Как правило, маркируются четыре вывода модуля таким образом: «~» - выводы нужно подсоединить к вторичной обмотке трансформатора, «+» и «-» - обозначают полярность выходного напряжения (см. рис.3.9).
Рис. 3.9. Пример монтажа модуля мостовой диодной схемы на макетной плате. Diod…диодный мост
Рис. 3.10. Двухполупериодный выпрямитель на основе мостовой схемы. Trans…трансформатор Diod…диодный мост fus…предохранитель
Рис. 3.11. Полноволновой выпрямитель:
а) схема полноволнового выпрямителя с конденсатором в качестве фильтра;
б) форма сигнала на выходе схемы.
Trans… - Трансформатор; fuse – Предохранитель; 120 VAC - 120 В; Bridge… - Мостовой выпрямитель; А - Ф; Ripll… - Отклонение напряжения
Задание
Осуществите сборку мостового выпрямителя в соответствии со схемой на рис.3.10. Если у Вас нет модуля диодного моста, соберите его из отдельных диодов. Как и ранее, проведите все измерения на выходе схемы.
Задание
Добавьте сглаживающий конденсатор в соответствии со схемой на рис.3.11.а. Измерьте среднее напряжение на нагрузке и пульсации.
Задание
Замените резистор нагрузки 10 кОм на резистор 1 кОм на 2 Вт.
Задание
Рассчитайте пульсации напряжения на выходе для этого резистора, сравните с пульсациями для предыдущего резистора нагрузки.
В полных схемах выпрямителей для снижения зависимости выходного напряжения и пульсаций от сопротивления нагрузки применяется обратная связь. Обычно в ней используются стабилитроны (диоды Зенера) для регулирования выходного напряжения. Но наиболее эффективно регулирование выходного напряжения осуществляется транзисторными регуляторами (интегральные схемы серий 7800 и 7900).
3.7 Входной и выходной импеданс выпрямителя
Для анализа схем широко применяются эквивалентные схемы Тевенина. Например, эквивалентной схемой измерительного прибора во время измерения напряжения является резистор с очень большим сопротивлением, параллельный идеальному вольтметру (см. рис.3.5). Общее сопротивление схемы, импеданс, учитывает резистивное сопротивление, емкостную и индуктивную реактивность. Входной импеданс – это общее сопротивление схемы со стороны входа. Аналогично, выходной импеданс – это общее сопротивление схемы со стороны выхода (см. рис.3.12). Попробуем определить выходной импеданс двухполупериодного выпрямителя.
Рис.3.12 Эквивалентная схема Тевенина двухполупериодного выпрямителя. Ideal Vol Sou…идеальный источник напряжения Out…выходной импеданс Compl…полная схема выпрямителя
Задание
Используя результаты Ваших измерений по формуле:
(3.13)
рассчитайте выходной импеданс схемы выпрямителя в омах.
Задание
Определите выходной импеданс генератора функций в составе макетной платы, измерив амплитуды выходного синусоидального напряжения сначала без нагрузки, а затем с нагрузкой 1 кОм.
Если выходной импеданс генератора от частоты практически не зависит, то его можно признать чисто резистивным. И эквивалентная схема генератора функций будет состоять из идеального источника переменного напряжения, последовательно соединенного с единичным резистором.
Задание
Проверьте выходной импеданс на низких и высоких частотах (50 Гц и 50 кГц) и оцените, зависит ли он от частоты.
Задание
Нарисуйте эквивалентные схемы Тевенина вольтметра, выпрямителя и функционального генератора.