Мікроелектронний пристрій обробки інформації

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут інформаційно-діагностичних систем

Факультет інформаційних технологій

КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

КУРСОВА РОБОТА

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

з навчальної дисципліни «ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ»

Тема: Мікроелектронний пристрій обробки інформації

Виконала: студент 202 групи факультету інформаційних технологій

Керівник: к.т.н., професор Медведенко Б.І.

Київ 2007

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут інформаційно-діагностичних систем

Кафедра інформаційно-вимірювальних систем

ЗАВДАННЯ

на виконання курсової роботи

студента

Тема курсової роботи Мікроелектронний пристрій обробки інформації

1. Термін виконання проекту: з 11.02.2007р. до 25.04.2007р.

2. Вихідні дані до роботи: тип операційного підсилювача — 140УД1

тип підсилювача низької частотиК118УН1А

тип підсилювача високої частоти — К2УВ241

тип відео підсилювача — 175УВ1А

3. Етапи роботи над курсовим проектом:

— розробка функціональної схеми

— розробка принципових схем функціональних вузлів пристрою ;

— моделювання і дослідження функціональних вузлів в середовищі Multisim 2001;

— розробка повної принципової схеми пристрою

— оформлення пояснювальної записки та креслень

4. Перелік обов’язкового графічного матеріалу:

— функціональна схема пристрою;

— повна принципова схема пристрою;

— схема функціональних вузлів в середовищі Multisim 2001;

— осцилограми сигналів.

5. Завдання видав (Медведенко Б.І.)

(підпис керівника) (П.І.Б. керівника)

" «2006р

.Завдання прийняв до виконання

(підпис студента)

Курсову роботу захищено з оцінкою

Голова комісії:

Члени комісії:

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи «Мікроелектронний пристрій обробки інформації»: 34 с., 32 рис., 2 табл., 12 літературних джерел.

Об'єкт досліджень — функціональні вузли пристроїв обробки інформації.

Мета роботи — розробка функціональної схеми пристрою обробки інформації, розробка принципових схем, набуття навиків моделювання і дослідження функціональних вузлів радіоелектронної апаратури в середовищі «Multisim 2001».

Метод дослідження — моделювання в середовищі «Multisim 2001».

Обґрунтовано, що для побудови пристрою обробки інформації можуть бути ефективно використані вибрані типи інтегральних мікросхем. Для побудови генераторів та формувачів імпульсів використовується заданий тип операційного підсилювача.

Результати курсового проектування рекомендується використовувати в навчальному процесі при проведенні лабораторних робіт.

Прогнозні припущення щодо розвитку об'єкта дослідження: покращення масогабаритних показників пристрою обробки інформації шляхом використання більш досконалих дискретних компонентів та інтегральних мікросхем.

емітерний повторювач, підсилювач низької частоти, комутатор, ДІОДНИЙ ОБМЕЖУВАЧ, КОМПАРАТОР, ЕМІТЕРНИЙ ПОВТОРЮВАЧ, змішувач, операційний підсилювач, вибірковий підсилювач, підсилювач потужності.

ЗМІСТ

1. Вступ

2. Системотехнічне проектування

2.1 Структурна схема

2.2 Функціональна схема

2.3 Підсилення та обробка електричних інформаційних сигналів

3. Схемотехнічне проектування

3.1 Операційний підсилювач

3.2 Генератор низької частоти

3.3 Підсилювач низької частоти

3.4 Компаратор

3.5 Вибірковий підсилювач

3.6 Емітерний повторювач

3.7 RC-підсилювач на ПТ

3.8 Детектор рівня

3.9 Одновібратор

3.10 Комутатор

3.11 Підсилювач потужності

3.12 Діодний обмежувач

3.13 Вхідний каскад

3.14 Підсилювач низької частоти

3.15 Амплітудний детектор

3.16 Відеопідсилювач

4. Дослідження віртуальних функціональних приладів

4.1Принципова електрична схема

4.2Експериментальні дослідження

5. Висновки

6. Список використаної літератури

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СИМВОЛІВ

Операційний підсилювач — підсилювач електричних сигналів, призначений для виконання різних операцій над аналоговими величинами при роботі схемі з негативним зворотнім зв’язком.

Коефіцієнт підсилення (Кu) — відношення приросту значення вхідної напруги до зміни диференційної напруги, що його викликає.

Напруга зміщення (Uзм) — напруга, яку необхідно прикласти між входами ОП для отримання нуля на виході ОП.

Середній вхідний струм (iвх) — середнє арифметичне значення вхідних струмів, виміряних при такій вхідній напрузі, при якій вихідна напруга ОП рівна нулю.

Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу (Kсф) — відношення коефіцієнту підсилення диференційного сигналу Кu до коефіцієнту підсилення синфазного сигналу Кu. сф, що визначається як відношення зміни вихідної напруги до зміни синфазного сигналу, що її викликала.

Коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення (Кп) — відношення зміни напруги зміщення до зміни напруги одного з живлячих джерел, що її викликала.

Вхідний опір (Rвх) — відношення приросту вхідної напруги ОП до викликаної нею активної складової вихідного постійного чи змінного струму.

Частота одиничного підсилення (fод) — частота, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП дорівнює одиниці.

Гранична частота (fгр) — максимальна частота синусоїдального сигналу, при якій зберігається гарантований ефективний діапазон синусоїдальної вихідної напруги ОП.

Максимальна швидкість наростання вихідної напруги (?) — найбільша швидкість зміни вихідної напруги ОП при поданні на його вхід імпульсу прямокутної форми максимально допустимої амплітуди.

Час встановлення відновлення вихідної напруги — час з моменту зняття вихідної напруги, до моменту, коли Uвих=0.1Uнас (напруга насичення ОП).

Вихідний опір (Rвих) — вихідний опір ОП.

Комутатор — багатопозиційний напівпровідниковий перемикач.

Різниця вхідних струмів (?iвх) — абсолютне значення різниці струмів двох входів підсилювача, виміряних тоді, коли напруга на виході ОП рівна нулю.

Температурний дрейф вхідного струму — коефіцієнт, що дорівнює відношенню максимальної зміни вхідного струму ОП до зміни температури навколишнього середовища, що його викликає.

Вхідний опір (rвх) — опір одного з входів ОП, в той час, коли інший вхід заземлено. Цей опір називають вхідним опором диференційного сигналу.

Змішувач — прилад призначений для переносу спектру досліджуваного сигналу з одної частини частотного діапазону в іншу.

Безтрансформаторний підсилювач потужності - підсилювач, що не містить котушок індуктивності.

Вибірковий підсилювач — в даному випадку, активний фільтр.

Iспож — струм, що споживає ОП.

? — тривалість імпульсу.

T — період сигналу

f — частота

I — струм

U — напруга

В — вольти, вимірюється напруга (мілі)

дБ — децибели, похідна одиниця від Б.

А — ампери, вимірюється струм (мілі, мікро, нано)

Ф — фаради, вимірюється ємність (мікро, нано, піко)

Гц — частота, вимірюється частота (кіло, мега)

ОП — операційний підсилювач

ПНЧ — підсилювач низької частоти

ПВЧ — підсилювач високої частоти

ЕП — емітерний повторювач

ВП — відео підсилювач

ПП — підсилювач потужності

— генератор гармонічних коливань

— вибірковий підсилювач

— амплітудний обмежувач

1. ВСТУП

Швидке розширення галузей використання електронних приладів — одна з характерних особливостей сучасного науково-технічного прогресу. Цей процес значною мірою пов’язаний з впровадженням інтегральних мікросхем в універсальні та керуючі обчислювальні комплекси; периферійне обладнання; пристрої реєстрації та передачі інформації; автоматизовані системи керування; прилади та обладнання для наукових досліджень; медичні та побутові прилади і т. п. Вживання інтегральних мікросхем дозволяє вдосконалювати та створювати нові методи проектування, конструювання та виробництва радіоелектронної апаратури, підвищує її технічні та експлуатаційні характеристики, впроваджувати електроніку в ряд пристроїв, традиційно виконаних на механічних чи електромеханічних принципах дії. Неперервне вдосконалення характеристик самих інтегральних мікросхем дозволяє підвищити технічний рівень та якість продукції, засобів автоматизації та приборів, значно піднімає економність, надійність та продуктивність техніки.

Застосування інтегральних мікросхем дозволяє вдосконалювати та створювати нові методи проектування, конструювання та виробництва радіоелектронної апаратури, підвищує її технічні та експлуатаційні характеристики, впроваджувати електроніку в ряд пристроїв, традиційно виконаних на механічних чи електромеханічних принципах дії. Неперервне вдосконалення характеристик самих інтегральних мікросхем дозволяє підвищити технічний рівень та якість продукції, засобів автоматизації та приборів, значно піднімає економність, надійність та продуктивність техніки.

Метою курсової роботи є: поглиблене вивчення основних типових функціональних вузлів мікросхемотехніки, набуття навиків пошуку та аналізу типових інтегральних мікросхем (ІМС) для вирішення конкретної схемотехнічної задачі, ознайомлення з методикою моделювання та аналізу віртуальних електронних схем в середовищі «Multisim-2001», набуття навиків роботи з науково-технічною літературою та довідниками, ознайомлення з відповідними державними стандартами, регламентуючими документами НАУ та оформлення пояснювальної записки і креслень у відповідності з їх вимогами.

2. Системотехнічне проектування

Задана загальна функціональна схема мікроелектронного пристрою обробки інформаційних електричних сигналів

2.1 Структурна схема

На основі заданої загальної функціональної схеми (рис. 2.1) типового мікроелектронного пристрою формування та підсилення електричних інформаційних сигналів розробимо структурну схему мікроелектронного пристрою обробки інформації (рис. 2.1.1).

Рис. 2.1.1. Структурна схема мікроелектронного пристрою обробки інформації.

2.2 Функціональна схема

Переробимо функціональну схему мікроелектронного пристрою обробки інформації з урахуванням умовних графічних позначень, вихначених відповідними стандартами (рис. 2.2.1).

Рис. 2.2.1. Функціональна схема мікроелектронного пристрою обробки інформації

2.3 Обробка інформаційних сигналів

Опишемо процес формування, підсилення та передачі електричних інформаційних сигналів.

Генератор низької частоти «1» — формує незатухаючі гармонічні коливання з частотою f1 = 15кГц, ці коливання підсилюються підсилювачем низької частоти «2» ,

Який після компаратора «3», в обмежувальному зверху і знизу режимом (імпульси прямокутної форми) подаються на вхід вибіркового підсилювача. Цей підсилювач налаштований на виділення третьої гармоніки, таким чином, на виході емітерного повторювача «5», який служить як узгоджувальний каскад між вибірковім підсилювачем і комутатором. Виділяється гармонічний сигнал з частотою 3f. Зовнішній інформаційний сигнал частотою f4 підсилюється RC-підсилювачем, на польовому транзисторі «6» поступає на детектор рівня «7» — запускає одно вібратор «8» (формувач імпульсів), на виході якого формується послідовність імпульсів.

Ці імпульсі перемикають комутатор «9». Діодний обмежувач «11» — обмежує амплітуду зовнішніх (високочастотних) модульованих інформаційних сигналів на рівні 0.7−1.7 В .

Через емітерний повторювач «12», вони поступають на підсилювач високої частоти «13», а потім на детектор АМ — коливань «14». Огинаюча високо-частототних сигналів, що формуються на виході детектора, через відео підсилювач поступає на комутатор. В залежності від стану одновібратора «8», через комутатор «9» на підсилювач потужності «10» поступає:

а) або імпульси з емітерного повторювача «5»,

б) або відеоімпульси з підсилювача «15».

На виході підсилювача потужності формуються вихідні імпульси потужністю Рвих=1 Вт.

3. Схемотехнічне проектування

3.1 Операційний підсилювач

Операційні підсилювачі (ОП) призначені для підсилення постійного і змінного струмів, побудови вирішальних підсилювачів, балансних модуляторів, фазових детекторів, аналогових перетворювачів та інших вузлів радіоелектронної апаратури.

Згідно із заданим варіантом опишемо ОП 140УД1 — операційний підсилювач загального призначення.

Наведемо принципову електричну схему та схему вмикання заданого ОП.

Рис. 3.1.1. Принципова електрична схема ІМС

Рис. 3.1.2. Схема вмикання ІМС 140УД1

Вивід 4 з'єднується з корпусом (загальною точкою) або залишається вільним. З'єднання з корпусом використовується при великих вхідних сигналах. При цьому параметри схеми виявляються дуже чутливими до асиметрії напруги джерел живлення. При малих вхідних сигналах вивід 4 заземляти не рекомендується.

Наведемо параметри даного операційного підсилювача (табл. 3.1.1).

Таблиця 3.1.1

Амплітудно-частотну та фазочастотну характеристики приведено на рис. 3.1.3.

а) б)

Рис. 3.1.3. АЧХ а) та ФЧХ б) операційного підсилювача 140УД1.

3.2 Генератор низької частоти

Розглянемо схему генератора низької частоти (ГНЧ) на операційному підсилювачі 140УД1 (згідно із завданням).

Рис. 3.2.1. Генератор синусоїдальних коливань

На малюнку показана схема ГНЧ синусоїдальних коливань з мостом Віна, одне плече якого створено резистивним подільником напруги R3, R1, а інше — диференціюючою R4, С3 та інтегруючою R2, С1 ланками. Коефіцієнт передачі з виходу фазового кола R2, С1, R4, С3 на неінвертуючий вхід ОП на резонансній частоті дорівнює 1/3. Для виконання балансу амплітуд коефіцієнт передачі підсилювача з виходу на неінвертуючий вхід повинен дорівнювати 3, тобто необхідно виконати умову 2R1=R3. Для виконання балансу фаз стала часу диференціюючої ланки повинна дорівнювати сталій часу інтегруючої ланки, тобто R3С1=R4С3.

При R2=R4=R, С1=С3=С частота коливань визначається за формулою:

3.3 Підсилювач низької частоти

Призначення вхідного підсилювача — узгодження рівня амплітуди вхідного сигналу з номінальною чутливістю наступного каскаду.

Вхідний підсилювач виконано на основі ІМС К118УН1А (згідно із завданням), електрична принципова схема, типова схема ввімкнення, основні та допустимі параметри ОП.

Рис. 3.3.1. Підсилювач низької частоти Двокаскадні підсилювачі постійного струму, призначені для для використання в підсилювачах низької і високої частоти радіоелектронного обладнання широкого застосування.

Підсилювач низької частоти, призначений для використання в переносних та автомобільних приймачах.

У таблиці 3.3.1 наведемо параметри підсилювача низької частоти.

Таблиця 3.3.1

3.4 Компаратор ОП використовуються для побудови компараторів в режимі великих амплітуд. При цьому використання ОП дає можливість побудувати різні порогові схеми, схеми порівняння. Використовують компаратори, побудовані на спеціальних типах і на ОП широкого вжитку без негативного зворотного зв’язку (НЗЗ).

Рис. 3.4.1. Компаратор.

В загальному випадку в лінійних пристроях ОП використовують обов’язково зі схемами НЗЗ, що і забезпечує лінійний режим. В компараторах використовується спроможність ОП різко перемикатись з одного стану в інший, коли рівень напруги на інвертуальному і неінвертуальному вході співпадають.

3.5 Вибірковий підсилювач Вибіркові підсилювачі призначені для підсилення електричних сигналів у вузькій смузі частот, за межами якої підсилення набагато слабкіше або взагалі відсутнє.

Рис. 3.5.1. Вибірковий підсилювач.

електричний інформаційний сигнал підсилювач

Є дві різновидності вибіркових підсилювачів. У перших вузька смуга пропускання забезпечується використанням паралельного LCконтуру, що має частотно-вибіркові властивості, як навантаження вихідного кола підсилювача. Оскільки контур має резонансні властивості, такі підсилювачі називають резонансними. Вибіркові підсилювачі другої різновидності використовують кола частотно-залежного зворотного зв`язку, що підкреслюють або заглушають сигнали у вузькому діапазоні частот. Це, власне, зумовлює квазірезонансний характер частотної характеристики підсилювача. Такі підсилювачі називають підсилювачами з частотно-залежним зворотним зв`язком. Ці підсилювачі з відповідним вмиканням кола частотно-залежного зворотного зв`язку можна використати як активні фільтри.

В області низьких частот використання індуктивностей недоцільне, а тому в області нижніх частот вибіркові підсилювачі будуються на базі частотно залежних RC-схем, які включаються в схеми частотно залежного ЗЗ. В таких частота, на якій частота досягає максимуму і мінімуму називається квазірезонансною.

Найбільше поширення знаходять 2 типи частотно залежних RC-схем: Міст Вінна і Подвійний Т-подібний міст.

Квазірезонансна частота: =.

Якщо R1 = R2 = 2R3 та C1 = C2 = 0.5 C3, то = 1/ R1 C1 =1/ R2 C2 = 1/ R3 C3

Оскільки ОП на інвертую чому вході зсуває фазу вхідного сигналу на 180ел.град., то загальний фазовий зсув по замкненій петлі підсилювача — 2Т-міст дорівнює 180ел.град. При цьому на частоті НЗЗ відсутній.

3.6 Емітерний повторювач Емітерний повторювач для даного пристрою розробимо за типовою схемою підсилювача на біполярному транзисторі ввімкненому за схемою із спільним колектором.

Рис. 3.6.1. Емітерний повторювач.

Якщо опір навантаження малий і виконується умова:

Спрощену еквівалентну схему перемалюємо наступним чином:

Використаємо дану схему транзистора для аналізу емітерного повторювача.

Коефіцієнт передачі струму. У відповідності з еквівалентною схемою коефіцієнт передачі струму Вхідний опір. Вхідний опір дорівнює відношенню вхідної напруги до струму бази:

Коефіцієнт передачі напруги.

Вихідний опір. Струм емітера Низький вихідний опір емітерного повторювача є його цінною властивістю. Завдяки малому вихідному опору емітерний повторювач еквівалентний генератору напруги, яка мало змінюється при зміні опору навантаження.

3.7 RC — підсилювач на ПТ

1) Керування відбувається за допомогою електричного поля, що забезпечує значний вхідний опір підсилювача.

2) Вхідне коло не споживає струму.

3) МДНтранзистори з клерувальним р-n переходом мають ліву клерувальну характеристику, це викликано тим, що полярність напруги на стоці і затворі протилежна, наприклад для транзистора з n-каналом, подаємо, а. Це дозволяє як і електронних лампах використовувати при побудові підсилювачів схему автоматичного зміщення робочої точки (в біполярному транзисторі цього не можна зробити).

Рис. 3.7. RC — підсилювач на ПТ.

4) При використанні МДН-транзисторів з вбудованим каналом початкова робоча точка автоматично знаходиться всередині робочої ділянки стік-затворної характеристики, що використовується при підсиленні гармонічних або двополярних сигналів.

Автоматичне зміщення використовується при підсиленні сигналів в режимі А, коли робоча точка знаходиться на середині лінійної ділянки стік-затворної характеристики.

Автоматичне зміщення досягається:

1) Забезпеченням на затворі рівним 0 (за допомогою R3). В колі затвора струм не протікає, тому значення R досягає МОм, тоді потенціал затвора дорівнює нулю.

2) Через транзистор протікає струм. А тому на резисторі Rв формується напруга UВ = .

Спад напруги на резисторі повинна дорівнювати необхідному початковому зміщенні в робочій точці. .

ПО довіднику для вибраного транзистора по стік-затворній характеристиці вибирається положення робочої точки А. По характеристиці встановлюється положення робочої точки А. ПО характеристиці встановлюється струм в цій точці, визначається неохідний номінал RB. Включення в коло витоку резистора обумовлює негативний зворотний зв’язок. В результаті чого зменшився б коефіцієнт інформаційного сигналу. Для виключення негативного зворотного зв’язку для змінного сигналу паралельно RB включається конденсатор великої ємності. Зміщення за постійним струмом залишається, а для змінного негативного сигналу зворотний зв’язок виключається.

3.8 Детектор рівня Компараторне ввімкнення ОП використовують для порівняння напруги джерела сигналів UД з опорним сигналом U0.

Рис. 3.8. Детектор рівня Компараторний режим ОП частіше застосовують без зовнішніх кіл негативного зворотного зв`язку, подаючи порівнювані сигнали на один або обидва входи підсилювача.

Для порівняння різнополярних напруг на вході використовують одновходовий компаратор, в якому опорний сигнал та той, що досліджується, надходять до інвертуючого входу ОП. В інтервалі часу 0 — t1 виконується нерівність |UД|<|U0|, тому Uвх>0 і напруга на виході компаратора Uвих=UвихmaxEG (напруга на вході, що її інвертує ОП, і на його вході різнополярні). В момент часу t1 вхідний сигнал досягає порогового значення UД=Uвх.пор=U0R1/R2.

Після цього (якщо t>t1) перевищує його за абсолютним значенням, яке відповідає негативному потенціалу на інвертуючому вході ОП (Uвх<0), що супроводжується перемиканням компаратора в інший стан, в якому U+вихmaxE+c. Моментові часу, коли виконується рівність Uд=Uвх.пор, відповідає нестійкий лінійний режим підсилювача компаратора.

При цьому нахил передавальної характеристики визначається власним коефіцієнтом підсилення КпU. Тому відсутність в ОП негативного зворотного зв`язку сприяє підвищенню швидкості перемикання компаратора.

В двоходовому компараторі, сигнали, які порівнюють, надходять до обох входів ОП. Тому стан виходу компаратора (полярність вихідної напруги) визначається великою за рівнем напругою одного з входів, що відображено передавальною характеристикою компаратора. При рівності вхідних напруг (момент часу t1), вихідна напруга компаратора дорівнює нулю аналогічно роботі інтегрального ОП. Рівень вхідної напруги компаратора обмежується припустимою синфазною напругою ОП.

Основним показником операційних підсилювачів, що працюють в імпульсному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та часом зростання вихідної напруги.

3.9 Одновібратор Рис. 3.9.

Загальмовані мультивібратори на операційних підсилювачах. Схеми таких мультивібраторів створюють зі схем автоколивних мультивібраторів, забезпечуючи переведення останніх з автоколивного режиму в чекаючий.

Конденсатор, що задає час у схемі загальмованого мультивібратора на ОП, можна ввімкнути в коло зворотного зв’язку за інвертуючим та неінвертуючим входом. Схема загальмованого мультивібратора з ввімкненням конденсатора у коло негативного зворотного зв’язку за інвертуючим входом показана на рис. 3.9, а. Вона отримана зі схеми автоколивного мультивібратора, де паралельно конденсатору С ввімкнено додатковий діод VD1 та введено коло запуску з елементів СІ, R2, VD2. Діод VD1 забезпечує чекаючий режим роботи мультивібратора. Коло диференціювання СІ, R2 формує імпульси запуску малої тривалості. Через діод VD2 до інвертуючого входу операційного підсилювача надходять імпульси лише позитивної полярності.

В стані стійкої рівноваги мультивібратора (інтервал часу 0 — t1), який визначається петлею позитивного зворотного зв’язку, напруга на виході U-вих Е-с. Безперечно, що

U-вх= U-вих {(R1R2)/[ R1R2)+R3]} Uвих, має низький негативний рівень, а напруга U-вих, що збігається з напругою на відкритому діоді VD1, майже дорівнюг нулю.

Імпульс запуску з амплітудою Um3an >, що надходить в момент часу t1 до інвертуючого входу ОП, викликає розвиток лавиноподібного процесу перемикання мультивібратора завдяки дії позитивного зворотного зв’язку через резисторний подільник напруги RI, R3. При цьому напруга на виході стрибком збільшується до, і мультивібратор переходить у тимчасово стійкий стан. Напруга на неінвертуючому вході змінюється на позитивну =, де =R1 /(R2+R3) — нове значення коефіцієнта передавання напруги з виходу ОП на неінвертуючий вхід.

адже діод VD2 внаслідок зміни полярності вихідної напруги зміщується в зворотному напрямі і від'єднує елементи R2, С1 від подільника напруги Rl, R3. Позитивний рівень вихідної напруги закриває відкритий до цього моменту діод VD1, і конденсатор С починає заряджатися в колі з резистором R.

Напруга на конденсаторі Uc == U-вх експоненційно зростає до асимптотичного рівня. Коли в момент часу t2 U-вх= Uвх+=Uвих+, ОП входить в підсилювальний режим, напруга на виході зменшується. При цьому в результаті дії зворотного зв’язку зменшується також вхідна напруга Uвх, що викликає подальше зменшення вихідної напруги і т. д. Розвиток регенеративного процесу призводить до перевертання мультивібратора (підсилювач спрацьовує як двовходовий компаратор) і закінчення процесу формування імпульсу позитивної полярності. Одновібрагор повертається до стійкого стану рівноваги.

Процес заряджання конденсатора С описує рівняння (3.9.1.), в якому =U+вих, Uc = 0, = RC,

Uc (t)= U+вих (1-). (3.9.1)

У процесі заряджання напруга на конденсаторі не досягає U+вих. оскільки в момент часу t2 (U-вих= Uc = U+вих) ОП повертається у початковий стан, тому, прийнявши в рівнянні (3.9.1) Uc (tі) =U+вих, визначимо тривалість вихідного імпульсу так:

ti =ln [1/(1 —)] = ln (1 + R1/R3). (3.9.2)

Час відновлення стійкого стану мультивібратора tB визначається процесом перезаряджання конденсатора через резистор R та вихід ОП,

Uc (t) = (U+вих + U-вих). (3.9.3)

Через те, що в процесі перезаряджання конденсатора, напруга на якому в момент часу t = tB зменшується до нуля (рис. 3.9, б), то, прийнявши в рівнянні (3.9.3) Uc = 0, а також U+вих= U-вих, отримаємо

tв =ln (1 +) = ln[(2R1 + R3)/(R1 + R3)]. (3.9.4)

Порівнявши вирази (3.9.2) та (3.9.4), враховуючи, що < 1, переконуємося в правильності нерівності tB

3.10 Комутатор Оскільки канал польового транзистора розмикається і замикається при зміні керуючого потенціалу і затвор не споживає струму керування, польовий ключ може розривати послідовні електричні кола. Такий електронний контакт і коло його навантаження з джерелом керуючого потенціалу гальванічно не зв’язані. На цьому заснований принцип як одиночного ключа комутації, так і багатопозиційних, напівпровідникових перемикачів (так званих комутаторів).

Комутатори можуть мати кілька входів і один вхід чи бути диференційними. Диференційний канал комутації посилає вибраний сигнал з двовходових провідників в два вихідних. Таким чином, такий комутатор обслуговує диференційні джерела сигналів, передаючи струми на диференційний приймач.

3.10.1. Комутатор Для комутаторів КМОП важливо, що їх електронні контакти двонапрямлені; сигнал можна подати на вихід комутатора (тепер це одиночний вхід), і, вибравши адресу, скерувати струм на один з багатьох виходів (номінально-це входи). Комутатори КМОП пропускають як аналогові, так і цифрові сигнали. В останньому випадку одна й та ж мікросхема може працювати як цифровий мультиплексор і демультиплексор.

Мікросхеми К176КТ1 і К561КТ3 це чотириканальні комутатори цифрових та аналогових сигналів, які мають однакові функціональну схему і цоколів ку, кожен ключ має вхід і вихід сигналу, а також вхід дозволу проходження сигналу EI. Еквівалентна схема ключа однополюсна, тобто лише на замикання електронного контакту. Тут керуючою «кнопкою» слугує вхід EI.

Канал провідності в цих комутаторах двонаправлений.

Для мікросхеми К176КТ1 опір каналу становить приблизно 500 Ом (при рівні відкриваючою напруги 9 В на вході EI), причому ступінь ідентичності опору каналів може сягати ± 10 Ом. Канал пропустить цифрові рівні з амплітудою до Uдж. чи аналогові з амплітудою (від вершини до вершини) до Uдж. /2. При навантаженні 10кОм на частоті 10кГц відношення сигналів на виході каналу в замкнутому і розімкненому станах не гірше 65 дБ. Ступінь ізоляції керуючого кола EI від каналу відповідає опору 1012 Ом. Проходження сигналу з частотою 900кГц (при навантаженні 1кОм) з каналу в канал оцінюється величиною 50 дБ. Час затримки поширення сигналу в каналі 10…25 нс. Комутатор К176КТ1 можна використовувати в наступних аналогових вузлах: перемикачі-мультиплексори, ключі вибірки сигналів, переривачі-модулятори для операційних підсилювачів, комутаційні ключі, модулятори-демодулятори.

3.11 Підсилювач потужності

Рис. 3.11,а. рис. 3.11,б.

Елементарні підсилювальні каскади являють собою однокаскадні осередки. До таких каскадів на біполярних транзисторах відносять каскади із загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ). Схема ЗЕ забезпечує як підсилення напруги, так і підсилення струму. Вона має найбільше підсилення потужності.

Однокаскадні підсилювачі звичайно працюють в режимі малого сигналу. Тому для аналізу їх якостей і одержання динамічних параметрів — вхідного і вихідного опорів, коефіцієнтів підсилення за струмом і напругою — складають схему заміщення каскаду. При проведенні аналізу допускають, що на вхід каскаду подається стале синусоїдальне електричне коливання (для підсилювачів сигналів незмінної чи повільно змінної амплітуди) або миттєвий стрибок напруги (для підсилювачів імпульсних сигналів).

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗЕ (рис. 3.11, а). В цій схемі корисна вихідна потужність на опорі навантаження

RH = RcRН (Rc + RН) зумовлена складовою колекторного струму за рахунок корисного сигналу з амплітудою Іст (або колекторної напруги з амплітудою Ucm), майже повністю обумовлюється енергією джерела живлення Ес, а не енергією вхідного сигналу. Колекторний струм 1С можна знайти, якщо врахувати, що струм, який надходить від генератора h21EIB, розгалужується в паралельні вітки, опір яких r’с і RCh+ rE. Оскільки зазвичай RСн>>rE, то опором rE можна знехтувати і для колекторного струму записати

Ic = h21EIB[r'с/(r’с + Rch)] (3.11.1)

Вхідний опір підсилювального каскаду визначається відношенням UВХ/Ibx=Ube/Ib. Оскільки через опір бази протікає струм Ib, а через опір rЕ — сума струмів ІB і Іс, то вхідний опір

Rвх = rB + rE [1 + h21Er'c/(r'c + RCн)] (3.11.2)

Через те, що дуже часто r’c > RCh, вхідний опір підсилювального каскаду дорівнює вхідному опору транзистора, тобто

Rвх = h11E = rB + rE (h21E + 1). (3.11.3)

Оскільки напруга на ділянці база-емітер залежить від теплового потенціалу т, то

Rвх = h21E = Ube /IB т /IB = (h21E + 1) т /IЕ. (3.11.4)

В режимі малих (мікроамперних) струмів, який характерний для підсилювальних каскадів в інтегральному виконанні, виміряний вхідний опір виявляється в півтора-два рази більшим, ніж обчислений за формулою (3.11.4). Тому в останню формулу вводять множник m = 1 … … 2, який враховує зменшення h21Е в режимі мікрострумів. При цьому

Rвх = h11E = (h21E + 1) (m т / IЕ). (3.11.5)

Скориставшись рівнянням (3.11.3), одержимо

Rвх = h11E. (3.11.6)

Якщо в коло емітера в схемі на рис. 3.11, а ввімкнути резистор RE, то в еквівалентній схемі на рис. 3.11, б він буде ввімкнутий послідовно з опором емітерного переходу rE і вхідний опір каскаду збільшиться згідно з (3.11.3):

Rвх = rB + (rE + Re) (h21E + 1) (3.11.6)

Коефіцієнт підсилення напруги за (3.11.1) і (3.11.2) такий:

KпU=Uвих/Uвх=ICRCн/IBRвх = (3.11.7)

В тих випадках, коли r’c>>RCн, враховуючи (3.11.4) одержимо КпU = h21ERCн/[ rB + rE (h21E+1)] h21E RCн/h11Eh21E RCн/[(h21E+1)*

*(т/IЕ)] RCн IЕ/ т (3.11.8)

Коли вхідний опір підсилювального каскаду порівняний з опором джерела вхідного сигналу RД, то вихідну напругу оцінюють не за відношенням Uвих / Uвх, а за Uвих/EД. Оскільки в цьому випадку справедливі рівняння:

Uвих= IC RCн= - [h21E IB r’c/(r’c+ RCн)] RCн;

IB=EД/(RД+ Rвх),

то

(3.11.9)

Коефіцієнт підсилення за струмом з урахуванням формули (3.11.1)

КпІ = IС/ IB= = h21Er'c/(r'c + RCн). (3.11.10)

Вихідний опір Rвих знаходять як звичайно при відімкненому навантаженні і нульовому вхідному сигналі, і, якщо врахувати, що r’c > RС, то

Rвих RC (3.11.12)

3.12 Діодний обмежувач Діодний обмежувач — це джерело електричних тестових сигналів, за допомогою якого можемо змінювати та обмежувати амплітуду вхідного сигналу. Вони дуже розповсюджені в електротехніці, електроніці, тому що за допомогою них можемо задавати максимальне та мінімальне значення амплітуди вихідного.

3.13 Вхідний каскад Вхідний каскад являє собою RC-підсилювач на ПТ і діодний обмежувач

RC-підсилювач на ПТ Діодний обмежувач

3.14 Підсилювач високої частоти Універсальні підсилювальні схеми, призначенні для підсилення сигналів переважно змінного струму, а також для використання в приймачах з АМ і ЧМ, в якості підсилювача з резонансним і аперіодичним навантаженням, емітерного повторювача, змішувача чи гетеродина.

3.15 Амплітудний детектор Амплітудний детектор — це пристрій, який слугує для керування амплітудою сигналу.

3.16 Відеопідсилювач Каскадний підсилювач, призначений для використання в ПВЧ і ПНЧ, а також в якості буферних каскадів, в генераторах високої частоти. Замість джерела Uзм можна використовувати сигнали АРП. Шляхом зміни опору нижнього плеча дільника за допомогою відповідних комутацій виводів, розширюються границі зміни напруги джерела живлення Uдж.ж. Навантаження підсилювача, що вмикається між виходом може бути резонансною або аперіодичною.

4. Дослідження віртуальних функціональних приладів

4.1 Принципова електрична схема Діодного обмежувача амплітуди Схему якого наведено нижче:

4.2 Експериментальні дослідження Як експериментальні дослідження наведемо декілька вихідних осцилограм, знятих з віртуального осцилографа:

На першій осцилограмі включені ключі J1 і J2 і ключ J3 вмикае джерело живлення V3 напругою 5 В, я видно з нашої осцилограми схема обмежує амплітуду вхідного сигналу (на малюнку червоний колір-вхідний сигнал, зеленийвихідний).

Осцилограма № 1

Потім перемикаємо ключ J3 в положення «2» при якому вмикається джерело живлення 1 В, як бачимо з осцилограми вхідний сигнал за амплітудою дорівнює амплітудному значенню на виході. Це означає що схема пропускає амплітуди в певному діапазоні.

Осцилограма № 2

На осцилограмі № 3 ми вмикаємо джерело потужності яке дорівнює 5 В ключ J1 -вимкнений, ключ J2 -включений, по осцилограмі ми бачимо обмеження (зріз) нижньої частини амплітуди Осцилограма № 3

На осцилограмі № 4 у нас ключ J1-включений J2-виключений, напруга джерела живлення таж сама 5 В, тут же ми бачимо навпаки зріз верхньої частини осцилограми Осцилограма № 4

5. ВИСНОВКИ В даній роботі було розроблено пристрій обробки електричних сигналів, за допомогою якого ми отримали можливість моделювати наш сигнал зручним для нас чином. Як бачимо, використавши операційний підсилювач з правильно підібраними параметрами, ми побудували на його базі велику кількість необхідних нам елементів схеми, що є дуже важливою перевагою операційного підсилювача перед низкою підсилювачів. Досить зручним було б використання операційних підсилювачів одного типу, що допомогло б уникнути багатьох систематичних похибок, які ускладнюють правильну роботу схеми та вносять спотворення у форму сигналу та величини, що вимірюються.

Теоретично розраховані елементи нашої схеми, однак не забезпечують те, що реально вона працюватиме. Тому виконання такої схеми краще б ілюструвала така програма як EWB, хоча в ній аналогічно беруться елементи з ідеальними характеристиками та параметрами. Отже можна зробити висновок, що на практиці значну частину потрібних елементів доводиться підбирати штучно, керуючись тим, що частина має відомі параметри, а решта — шляхом пошуку потрібного. Це не означає, що наша схема працювати не буде, проте існує велика ймовірність, що частину навісних елементів доведеться замінити.

6. Список використаної літератури Алексеенко А. Г. Основы микросхемотехники — М.: Лаб. базовых знаний, 2001. — 352 с.

Гобаев В. Г. Схемотехника импульсных и цифровых устройств: Учеб. пособие для студентов вузов, М.: Воздушн. транш., 1994. — 343 с. (з 847, Б12).

Брамер Ю. А. Импульсные и цифровые устройства: Учебник 6-е изд. — М.: Высш. шк., 1999. -352 с. (з 847, Б873).

Павлов В. И., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для студентов вузов. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 320 с. (з 844, П121).

Руденко В. С., Ромашка В. Я., Трифонюк В. В. Промислова електроніка: Підручник. — К.: Либідь, 1993. — 432 с.

Булычов А. А. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник /А. А. Булычов и др. — 2-е изд. перераб. и доп. — Минск: Беларусь, 1993. — 382 с. (з 844, Б908).

ГОСТ 2.737−68. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Устройства связи.

ГОСТ 2.743−91. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

ГОСТ 2.728−74. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.

ГОСТ 2.730−73. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

ГОСТ 2.105−79. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.

ГОСТ 2.109−74. ЕСКД. Основные требования к чертежам.