Інструкція до лабораторної роботи № 2. Інструкція до лабораторної роботи з Схемотехніка. Робота № 524525

Перехід до торгівельного партнера Binance

Інструкція до лабораторної роботи № 2

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

РТ

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2013

Тип роботи:

Інструкція до лабораторної роботи

Предмет:

Схемотехніка

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОГО ПІДСИЛЮВАЧА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Інструкція до лабораторної роботи № 2 з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації” для студентів базових напрямків 6.170102 “Системи технічного захисту інформації”, Затверджено на засіданні кафедри (Захист інформації( Протокол № від 2013 р. Львів – 2013 Моделювання та дослідження диференціального підсилювача постійного струму: Інструкція до лабораторної роботи №2 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації” / Укл.: Кеньо Г.В., ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013 ( 12 с. Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц. Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф. Рецензенти: 1. Мета роботи Ознайомитися із схемотехнікою, принципами функціонування та основними параметрами і характеристиками диференціального підсилювача постійного струму на біполярних транзисторах з джерелом стабільного струму. 2. Завдання За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 синтезувати каскад диференціального підсилювача постійного струму (ППС) на біполярних транзисторах. Дослідити роботу підсилювача при подаванні на входи синфазного та протифазного сигналів. Проаналізувати різні схеми увімкнення диференціального підсилювача. Отримати амплітудо-частотні характеристики, визначити коефіцієнти підсилення за напругою та смугу пропускання для різних схем увімкнення підсилювача. 3. Теоретичні відомості У наш час значного поширення в мікроелектроніці набули диференціальні (парлельно-балансні або різнецеві) підсилювачі (ДП). Такі підсилювачі просто реалізуються у вигляді монолітних інтегрованих мікросхем (ІМС). Їх вирізняє висока стабільність роботи, малий дрейф нуля, великий коефіцієнт підсилення диференціального сигналу і великий коефіцієнт заглушування синфазних завад. Зміни вихідної напруги, не пов’язані з вхідною напругою й зумовлені внутрішніми процесами у підсилювачі, називають дрейфом нуля підсилювача. Диференціальні підсилювачі будуються за схемами паралельного балансу. На рис.1 подана принципова схема найпростішого варіанту диференціального підсилювача. Рис. 1. Схема диференціального ППС ДП забезпечують високе підсилення диференціального вхідного сигналу, прикладеного між входами каскаду, і практично не підсилюють синфазний сигнал, однаковий на обох входах. В ДП для придушення синфазного сигналу використовується принцип урівноваженого моста. Резистори RK1=RK2 і внутрішні опори транзисторів VT1 і VT2 (разом із відповідною частиною резистора R0 і резистором RЕ) утворюють плечі моста. До однієї з діагоналей моста підведена напруга джерел живлення ЕK1 і ЕK2, а в другу діагональ увімкнений навантажувальний резистор RН, з якого знімається вихідна напруга. Резистор RЕ і відповідна частина резистора R0, увімкнені в емітерне коло кожного з транзисторів, призначені для вибору початкового режиму роботи каскадів. Вхідний сигнал у цій схемі подається між базами транзисторів VT1 і VT2. Для нормальної роботи схеми вона повинна бути строго симетричною. У цьому випадку в початковому стані (до надходження вхідного сигналу) міст буде збалансованим, а напруга на його виході дорівнюватиме нулю. За повної симетрії плечей струми спокою обох транзисторів, а також їх відхилення у разі зміни режиму (наприклад, при зміні напруги ЕK, зміні температури) мають однакову величину. Потенціали колекторів при цьому також рівні між собою, і отримують однакові прирости напруг. Тому за однакового впливу дестабілізуючих факторів на обидва транзистори одночасно баланс моста не порушується, і вихідна напруга не з’являється, тобто напруга дрейфу дорівнює нулю. Вплив вхідної напруги різної полярності приводить до розбалансування моста, оскільки на бази транзисторів подаються напруги різних знаків. Потенціали колекторів одержують однакові за абсолютною величиною, але протилежні за знаком прирости, через опір навантаження проходить струм, що створює на ньому напругу Uвих, величина і полярність якої залежать тільки від величини і полярності вхідної напруги. Отже, амплітудна характеристика балансної схеми не повинна відрізнятись від прямої лінії, що проходить через початок координат. У реальних балансних схемах завжди є деяка асиметрія. Тому напруга дрейфу на виході повністю не зникає. Однак дрейф нуля у балансних схемах визначається різницею струмів обох транзисторів, і тому є значно меншим, ніж у звичайних схемах прямого підсилення. Для забезпечення додаткової симетрії схеми і регулювання струмів транзисторів у режимі спокою використовується змінний резистор R0. Величина цього резистора є невеликою R0((0,01...0,05)(RЕ. Що стосується резистора RЕ, то на ньому створюється спад напруги за рахунок струмів емітера обох транзисторів . (1) Ця напруга використовується як напруга від’ємного зворотного зв’язку в режимі спокою. Будь-які нестабільності струмів транзисторів, що виникають одночасно, будуть послаблюватись внаслідок глибокого від’ємного зворотного зв’язку. Разом з тим, на резисторі RЕ не створюється напруга зворотного зв’язку для складових струмів (ІЕ1 і (ІЕ2, які викликані дією диференціального (корисного) сигналу. Це пояснюється тим, що струми емітерів обох транзисторів під дією сигналу отримують рівні, але протилежні за знаком прирости ((ІЕ1= –(ІЕ2), оскільки потенціали баз завжди протилежні один до одного (коли на базу VT1 від джерела сигналу подається плюс, на базу VT2 – мінус, і навпаки). Отже, коефіцієнт підсилення схеми не зменшується. Для підвищення стабільності роботи схеми резистор RЕ повинен бути високоомним, однак це вимагає підвищення напруги джерела живлення. Для того, щоб ДП якісно та надійно працював, а також зберігав у процесі роботи свої параметри та властивості, необхідно, щоб виконувались дві вимоги. Перша вимога – симетрія обох плечей ДП. За рахунок симетрії плечей забезпечується висока стабільність при зміні напруги живлення, температури, радіаційного впливу тощо. У монолітних ІМС перша вимога в ДП майже виконується. Друга вимога полягає у забезпеченні глибокого ВЗЗ для синфазного сигналу. Виконати другу вимогу дає змогу введення в ДП резистора RЕ або його електронного еквівалента. Якщо на входи ДП надходить синфазна завада, наприклад, додатної полярності, то транзистори VT1 і VT2 привідкриються, і струми емітерів зростуть. Через резистор RЕ буде протікати сумарний приріст цих струмів, який створює на ньому сигнал ВЗЗ. Оскільки RЕ створює послідовний ВЗЗ за струмом, то при цьому буде зменшуватись коефіцієнт підсилення за напругою для синфазного сигналу каскадів зі СЕ, які утворюють спільні плечі ДП. Коефіцієнт підсилення ДП для синфазного сигналу становитиме: . (2) Чим кращою є симетрія плечей ДП, тим меншим є (RK. Оскільки ідеальна симетрія неможлива, то завжди (RK(0. Зменшити KUсф можна за рахунок збільшення глибини ВЗЗ, тобто збільшення опору резистора RЕ. У результаті можна значно приглушити синфазну заваду. Для основного робочого вхідного сигналу – диференціального – ДП буде працювати по-іншому. За рахунок дії Uвх1 транзистор VT1 привідкривається, і струм його емітера отримує додатний приріст, а за рахунок дії Uвх2 транзистор VT2 призакриється, і струм його емітера одержує від’ємний приріст. У результаті приріст струму в колі резистора RЕ у разі ідеальної симетрії ДП дорівнюватиме нулю, тобто ВЗЗ для диференціального сигналу відсутній. Це дає змогу отримати від кожного каскаду зі СЕ у ДП, а значить, і від усього ДП велике підсилення – на навантаженні відбувається виділення подвоєного вихідного сигналу. Отже, резистор RЕ створює ВЗЗ тільки для синфазного сигналу. На практиці можна використовувати чотири схеми увімкнення ДП: симетричний вхід та вихід, симетричний вхід і несиметричний вихід, несиметричний вхід і симетричний вихід, несиметричний вхід і вихід. За симетричного входу джерело вхідного сигналу вмикається між входами ДП (між базами транзисторів). За симетричного виходу опір навантаження вмикається між виходами ДП (між колекторами транзисторів). Таке увімкнення ДП і було попередньо розглянуте. За несиметричного входу джерело вхідного сигналу вмикається між одним входом ДП і загальною шиною. Коефіцієнт підсилення ДП не залежить від способу подавання вхідного сигналу, тобто не залежить від того, симетричний чи несиметричний вхід. За несиметричного виходу опір навантаження вмикається одним кінцем до колектора одного транзистора, а іншим – до загальної шини (рис. 2). У цьому випадку KU виявляється удвічі меншим, ніж за симетричного виходу. Рис. 2. Схема диференціального ППС з несиметричним виходом Якщо за несиметричного входу і виходу вхідний сигнал подається тільки на вхід того самого плеча, з виходу якого і знімається вихідний сигнал, то на підсилення працює лише одне плече ДП. У такому випадку на виході одержують інвертований сигнал. Коли вхідний сигнал подається на вхід одного плеча ДП, а знімається з виходу іншого, то на виході одержують неінвертований сигнал з таким самим KU, як і в попередньому випадку. Якщо знімати вихідний сигнал завжди з одного заданого виходу, то входам ДП можна присвоїти назви ”інвертувальний” (вхід 2) та ”неінвертувальний” (вхід 1). Одним з основних параметрів ДП є коефіцієнт ослаблення (приглушення) синфазного сигналу (КОСС). Зазвичай КОСС подається як відношення KUдиф до KUсф, або КОСС=20lg(KUдиф / KUcф). (3) У ДП завжди намагаються зробити КОСС якомога більшим. Для цього потрібно збільшувати опір резистора RЕ, а це утруднено в монолітних ІМС. Вирішити цю проблему дає змогу використання електронного еквівалента резистора великого номіналу, яким є джерело стабільного струму (ДСС). На рис.3 подана принципова схема ДП з ДСС. Тут ДСС виконане на транзисторі VT3. Резистори R1, R2 та R3, а також діод VD задають і стабілізують режим спокою транзистора VT3. Робоча точка транзистора VT3 міститься на пологій ділянці його вихідної ВАХ. У результаті при зміні напруги на такому ДСС його струм залишається практично постійним. У реальних умовах ДСС є еквівалентом опору для сигналу, що змінюється (у цьому випадку синфазного) значного номіналу – до одиниць МОм. Рис. 3. Принципова схема диференціального підсилювача з ДСС Сучасні ДП виконують за різними схемами, але у них завжди використовується ДСС. Для таких ДП значення КОСС зазвичай перебуває в межах (60(100) дБ. При побудові багатокаскадних схем ППС балансні каскади можна з’єднувати між собою безпосередніми зв’язками. При цьому колектори попереднього каскаду з’єднуються з базами наступного. 4. Порядок виконання роботи За допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8 (MC8) синтезувати схему диференціального підсилювача постійного струму з симетричним входом (рис.4,а). Використати n-p-n транзистори Q1 та Q2 марки KТ630В_, Q3 – марки KТ315А, діод D1 – марки D2D503D, джерела живлення ЕK1=ЕK2=6В, джерела синусоїдального сигналу різної полярності Еg1 та Еg2 з амплітудою 10 мВ і частотою 1 кГц. Провести аналіз перехідних процесів – часову залежність напруги вхідних (на входах InA, InВ та InB–InA) і вихідних сигналів (на виходах OutA, OutB та OutB–OutА). Виявити фази напруги вхідних та вихідних сигналів, їх амплітуду. По отриманих значеннях амплітуди вхідного та вихідного сигналів розрахувати KU різниці вхідних сигналів. Отримати амплітудо-частотну характеристику коефіцієнта підсилення різниці вхідних сигналів на окремих виходах та між ними. Визначити коефіцієнт підсилення за напругою та смугу пропускання на основі отриманих АЧХ. Змінити полярність одного з джерел синусоїдального сигналу так, щоб на обидва входи поступали сигнали однакової полярності. Отримати та проаналізувати часові залежності напруги вхідних (на входах InA, InВ) та вихідних сигналів (на виходах OutA, OutB та OutB–OutА). У схемі диференціального підсилювача постійного струму усунути джерело сигналу, під’єднане до входу В, заземлити вхід В через резистор, і отримати ППС з несиметричним входом (рис.4,б). Джерело сигналу Еg1 задати амплітудою 20 мВ і частотою 1 кГц. а) б) Рис. 4. Підсилювач постійного струму з симетричним (а) та несиметричним входами (б) Провести аналіз часових залежностей напруги вхідного (InA) та вихідних сигналів (на виходах OutA, OutB та OutB–OutА). Виявити фази напруги вхідних та вихідних сигналів, їх амплітуду. Повторити пункти 3–4 для цієї схеми увімкнення. Порівняти коефіцієнти підсилення на різних виходах для різних схем увімкнення ДП. Визначити, якими є входи А і В ДП (інвертувальним чи неінвертувальним), якщо вихідний сигнал знімається тільки з виходу В. 5. Методичні вказівки 5.1. Синтезування схеми Для того, щоб задати входи і виходи у схемі диференціального підсилювача постійного струму, потрібно відвести провід у бажаному місці схеми і, використовуючи у меню команду Опции/Режим/Текст, або кнопку з піктограмою «Т», ввести назву входу або виходу. При цьому проводи, що утворюють вузол повинні бути активовані (підсвітитись). 5.2. Аналіз перехідних процесів Для проведення аналізу напруги вхідних та вихідних сигналів для схеми диференціального підсилювача постійного струму з симетричним входом у разі подавання протифазного сигналу, потрібно вибрати з меню команд Анализ/Переходные процессы, і задати параметри аналізу, як вказано на рис.5. Рис.5. Вікно аналізу перехідних процесів схеми ДП з симетричним входом Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності від часу напруги в заданих входах та виходах схеми. Для аналізу часових діаграм напруги вхідного та вихідного сигналів у разі подавання синфазного сигналу у вікні параметрів аналізу перехідних процесів вилучити другий графік (усунути цифру «2» у колонці «Р»). Аналіз перехідних процесів диференціального підсилювача постійного струму з несиметричним входом проводити, задаючи параметри, вказані на рис.6. Рис.6. Вікно аналізу перехідних процесів схеми ДП з несиметричним входом 5.3. Аналіз частотних характеристик Для частотного аналізу диференціального підсилювача постійного струму з симетричним входом потрібно в меню команд вибрати Анализ/Частотные характеристики. Після вибору Частотные характеристики відкривається вікно (рис.7) у якому задаються параметри моделювання характеристик. Рис. 7. Вікно розрахунку частотних характеристик схеми ДП з симетричним входом Після натискання клавіші Запуск на екрані отримаємо АЧХ досліджуваного підсилювача. Для частотного аналізу диференціального підсилювача постійного струму з несиметричним входом потрібно у вікні розрахунку частотних характеристик задати параметри, вказані на рис. 8. Рис. 8. Вікно розрахунку частотних характеристик схеми ДП з несиметричним входом 6. Вимоги до оформлення звіту Звіт про пророблену роботу повинен містити: Назву і мету роботи. Схеми диференціального підсилювача постійного струму з симетричним та несиметричним входами. Осцилограми напруги вхідних та вихідних сигналів ДП з симетричним входом для протифазного та синфазного сигналів та для ДП з несиметричним входом. АЧХ коефіцієнтів підсилення за напругою для ДП з симетричним та несиметричним входами. Короткі висновки, що випливають з аналізу осцилограм та АЧХ. Контрольні запитання та завдання Чому АЧХ підсилювачів постійного струму не має спаду в ділянці нижніх частот? Що означає дрейф нуля підсилювача? У чому полягає перевага використання в ППС паралельно-балансних каскадів? За яким принципом будують паралельно-балансні каскади підсилювачів постійного струму? Пояснити призначення елементів схеми балансного ППС. Чому живлення ДП зазвичай здійснюється від двох джерел? Які сигнали називають синфазними, парафазними? Які вимоги повинні виконуватись для забезпечення якісної роботи диференціального підсилювача? Яке призначення резистора RЕ у схемі ДП? Чому у ДП відбувається підсилення корисного сигналу і послаблення завад? Які схеми увімкнення ДП використовуються на практиці? Як залежить коефіцієнт підсилення ДП від схеми увімкнення? Який вхід ДП називається інвертувальним; неінвертувальним? Що визначає коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу ДП? З якою метою використовують джерела стабільного струму в ДП? Як їх реалізують? Рекомендована література Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил. Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил. Дудикевич В.Б. та ін. Електроніка та мікросхемотехніка: Навч. посібник. Ч. 2: Аналогова схемотехніка / В.Б. Дудикевич, Г.В. Кеньо, І.В. Петрович. – Серія “Дистанційне навчання”. – № 53. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2010. – 224 с. Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с., ил. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова – К.: Каравела, 2006. – 384 с. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. – К.: Каравела, 2004. – 432 с.

Інструкція до лабораторної роботи Схемотехніка

Julia-lukach

30.05.2013 21:05-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись