Материал: Методические указания к лабораторным работам № 1-4 по дисциплине «Микроэлектроника» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика». Коротков Л.Н., Королев К.Г

зы, а - коэффициент передачи по току, либо в режиме насыщения (на крутом участке выходной ВАХ).

Например, Uп+бэ3 – напряжение на база-эмиттерном p – n – переходе транзистора Т3, величина которого превышает пороговое значение.

Пусть ЛЭ имеет М входов, из них на m входов (1 m M) подано низкое напряжение U0вх, а на остальные входы — высокое напряжение. Тогда m эмиттеров входного транзистора Тм находятся в открытом состоянии и напряжение на его базе (Uбм) равно

где Uп+бэм – падение напряжения на база – эмиттерном p-n- пе-

Здесь Uкэм – напряжение между коллектором и эмиттером МЭТ. Транзистор Т1 остается закрытым, пока напряжение на его

базе (Uб1) не достигнет напряжения отпирания

Uб1 = Uп+бэ1 + Uп+бэ2,

где Uп+бэ1 и Uп+бэ2 – напряжения, соответствующие переходу транзисторов Т1 и Т2 из режима отсечки в активный режим.

Это случится, когда напряжение Uвх возрастет до значе-

соответствующего промежуточному порогу включения схемы - U0п пр.

При Uвх < U0п пр транзистор Т1 закрыт, поэтому напряжение Uб2 равно нулю, и транзистор Т2 также закрыт. Напряжение на базе транзистора Т3 близко к напряжению источника питания Е, поэтомутранзистор Т3 и диод Д открыты. На коллекторе транзистора Т1 (базе Т3) и на выходе схемы устанавливаются высокие напряжения (участок 1 передаточной характеристики на рис. 2,а)

Тогда на выходе имеем напряжение, соответствующее ло-

гической единице U1вых.

Uвых = U1вых = U1к1 – U0бэ3 – U0Д E – U0бэ3 – U0Д , (7)

где приближенные выражения соответствуют типичному случаю, когда ток нагрузки IН, не слишком велик: I1Н = Iб3( 3+1)<<(Uэо/ 3R1). (Здесь Iб3 – ток, втекающий в базу транзистора Т3, имеющего коэффициент передачи по току 3.)

При увеличении входного напряжения значения Uбм и Uб1 возрастают (рис. 2,б) в соответствии с выражениями (3) и (4) и при Uвх = U0п пр транзистор Т1 открывается. Эмиттерный ток Т1 создает падение напряжения на резисторе R2, и напряжение Uб2 повышается (рис. 2,б). Коллекторный ток Т1 создает дополнительное падение напряжения на резисторе R1, поэтому значения Uк1 (рис. 2,б) и Uвых (участок II на рис. 2,а) уменьшаются с

транзистор Т2 отпирается. При этом эмиттерный ток транзистора Т1 равен IЭ1 Uпбэ2/R2, т. е. в соответствии с (8) значения Uк1 и Uвых уменьшились на величину

При дальнейшем возрастании напряжения Uвх базовые и коллекторные токи транзисторов Т1 и Т2 увеличиваются и напряжения Uк1 (рис. 2, б), Uвых (участок III на рис. 2,а) резко падают.

транзисторы Т1 и Т2 входят в насыщение и на выходе схемы устанавливается низкое напряжение (участок IV на рис. 2,а).

На коллекторе Т1 устанавливается напряжение (рис. 2, б)

где Rк1 сопротивление области коллектора и контакта к коллектору транзистора Т1. Величина напряжения Uк1 недоста-

Диод включается в выходную цепь для того, чтобы обеспечить запирание транзистора Т3 при низком напряжении U0вых на выходе.

Для насыщения транзисторов Т1 и Т2 необходимо, чтобы коэффициент насыщения (S = Iб/Iк) из транзисторов удовлетворял

При входном потенциале Uвх Uпбэ2 + Uпбэ3 + U1кэм) эмиттерные переходы транзистора Тм запираются и он перехо-

дит в активный инверсный режим. (Инверсным называют ре-

жим при котором потенциал коллектора превышает потенциал эмиттера, при этом эмиттер и коллектор «обмениваются» своими функциями). Дальнейшее увеличение Uвх приводит к возрастанию запирающих напряжений на соответствующих эмиттерных переходах МЭТ и не вызывает существенных изменений токов или напряжений в схеме (рис. 2а и 2б) до наступления пробоя эмиттерных переходов.

Промежуточный сравнительно пологий участок II на передаточной характеристике (рис. 2а) является особенностью схем ТТЛ со сложным инвертором.

Всего на передаточной характеристике выделяют пять характерных точек, с помощью которых можно построить кусоч- но-линейную аппроксимацию зависимости Uвых = f(Uвх), содер-

21

жащую 4 участка: (U0вых, U0п пр), (U0п пр, U0п), (U0п, U1п) и (U1п, U1), показанные на рис. 2 а.

Типовая входная характеристика Iвх=Iэм = f(Uвх) схемы показана на рис. 4.

Рис. 4. Зависимости входного (Iвх) коллекторного (Iкм) и базового тока (Iбм) МЭТ от входного потенциала Uвх, подводимого к входу m. Остальные М- m входов подключены к источнику питания Е. Кривая Iвх(М- m) соответствует току на одном из М- m

входов

Там же приведены зависимости базового Iбм и коллекторного Iкм токов транзистора Тм от Uвх. Ток, вытекающий из каждого входа, на который подано низкое напряжение, при котором выполняется условие Uвх < U0п пр, равен

где rб – сопротивление области базы МЭТ и контакта к ней. В слу-

чае, если напряжение низкого уровня подано сразу на m входов ЛЭ, формула (18) переписывается следующим образом:

22

где I инверсный коэффициент передачи по току МЭТ. Выражение (19) соответствует случаю, когда Uвх m пре-

вышает U0п соответствующие эмиттерные переходы начинают закрываться и входные токи Iвх резко уменьшаются (рис. 4). При Uвх >U1п все база-эмиттерные переходы транзистора Тм закрыты и ток каждого из М входов равен:

I1вх(M) = IIбм = I(E – U0бэ1-U0бэ2 – U0бкм)/Rб + rб) (20)

Типовые значения входного тока I0вх составляют сотни микроампер для маломощных микросхем и единицы миллиампер для быстродействующих микросхем.

При Uвх U0п величина Iкм значительно меньше, чем Iбм (рис. 4). Поэтому уменьшение тока Iвх м вследствие появления тока Iкм невелико, и можно считать, что входная характеристика схемы определяется выражением (18) при Uвх U0п.

Для уменьшения входных токов высокого уровня, величи-

ну I делают малой ( I<0,05). При этом существенную часть входного тока, особенно при максимальной рабочей температуре и повышенных значениях входных напряжений могут составлять токи утечки. В этом случае входные токи I1вх являются суммой тока через эмиттерный переход Тм, определяемого выражением (20) и тока утечки I1вх ут. Типовые значения токов I1вх, составляют единицы микроампер для маломощных микросхем и десятки микроампер для быстродействующих. При повышении темпе-

ратуры токи I1вх, несколько увеличиваются вследствие возрастания коэффициента I.

2.Порядок выполнения работы

2.1Ознакомится с инструкцией по эксплуатации измерительных приборов.

2.2.Лабораторное задание N1

2.2.1.Собрать схему, как показано на рис. 5, подключив вольтметр V2 к выходу логического элемента DD2 (клемма «3»).

2.2.2.Установить выходное напряжение источника пита-

ния Uпит=5 В. При выключенном источнике подключить макетную плату к его клеммам, соблюдая полярность.

2.2.3. Определить таблицу истинности логического элемента DD2 (2И-НЕ). Для этого задавать на входах X1, X2 логические комбинации и измерять напряжение на выходе Y (клемма «3» на макете). В качестве логического «0» использовать напряжение равное 0 (вход X соединяется с общим проводом). В качестве логической «1» использовать напряжение равное 5 В (вход X соединяется с клеммой Uпит). Результаты занести в таблицу.

Таблица 1 Таблица истинности логического элемента 2И-НЕ

Рис. 5. Схема лабораторного макета для исследования МС типа К155ЛА3, содержащей 4 независимых ЛЭ 2И-НЕ. (Принципиальная электрическая схема каждого ЛЭ соответ-

ствует рис. 3)

2.3. Лабораторное задание N2

2.3.1. Подключить вольтметр V2 к выходу логического элемента DD1 (клемма «10») и, изменяя с помощью резисторов R1 и R2 напряжение на входе «2» элемента DD1 в пределах Uвхm = 0 5 В с шагом 0,05 В, получить зависимости следующих величин от входного напряжения Uвх:

(1)выходного напряжения Uвых,

(2)тока потребления Iп

(3)входного тока Iвх.

Результаты измерений занести в таблицу. 25

2.3.2. Построить графики зависимостей:

(1). Uвых = f(Uвх);

(2). Iп = f(Uвх);

(3). Iвх = f(Uвх);

Таблица 2 Зависимости токов и напряжений на электродах ЛЭ элемента в зависимости от напряжения Uвх

2.3.3. Из передаточной характеристики {Uвых = f(Uвх, U5= 5В)} определить величины:

-напряжение логического «0» и «1» (U0 и U1);

Uвых0 пор ) пороговых напряжений.

2.3.4.Убедиться, что ток низкого уровня зависит от количества заземленных входов m в соответствии с выражением (18).

2.3.5.Определить сопротивление R = Rб + rб по формуле

R = Rб + rб = (Uвх1- Uвх2)/(Iвх2 – Iвх1).

Для расчета следует воспользоваться данными, взятыми с начального линейного участка входной ВАХ, построенной для случая m = 1.

2.3.6. Найти величину падения напряжения на прямосмещенном база-эмиттерном p-n- переходе МЭТ (U0бэм):

U0бэм = E – Iвх(Uвх=0, m=1)/(Rб + rб).

26

2.3.7. Определить инверсный коэффициент передачи многоэмиттерного транзистора I. Для этого, воспользовавшись формулой:

I = I1вх (Rб+rб)/(E – Uбэ1-Uбэ2 – U0бкм)

I1вх (Rб+rб)/(E – 3 U0бэм)

3.Контрольные вопросы

3.1.Назовите основные параметры логических эле-

ментов.

3.2.Нарисуйте схему базового элемента ТТЛ и поясните ее работу.

3.3.Поясните конструкцию и принцип действия биполярного транзистора.

3.4.Изобразите конструкцию и особенности функционирования многоэмиттерного транзистора.

3.5.Что такое коэффициент передачи транзистора

по току?

3.6.Что такое инверсный коэффициент передачи?

3.7.Преимущества схемы ТТЛ со сложным инвертором по сравнению с другими ЛЭ на биполярных транзисторах.

3.8.Нарисуйте схему для получения передаточной характеристики и объясните ее.

3.9.Объясните полученные экспериментально зави-

симости.

3.10.Какие параметры элементов схемы можно определить из анализа статических характеристик элемента ТТЛ?

Библиографический список

1.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев – М.: Высшая школа, 2005.

2.Шагурин И.И. Транзисторно – транзисторные логические схемы / И.И. Шагурин– М.: Советское радио. 1974. 158 с.

27

Лабораторная работа № 3 Изучение работы операционного усилителя

Целью работы является получение практических навыков использования операционного усилителя, изучение его технических характеристик.

Приборы и оборудование: генератор сигналов типа Г626; осциллограф универсальный типа С1-68; лабораторный стенд.

1. Основные сведения о ОУ

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для работы с глубокой отрицательной обратной связью (ООС).

Современные ОУ выпускаются в виде интегральных микросхем и используются в радиоэлектронных устройствах различного назначения [1].

На схемах радиоаппаратуры, согласно ГОСТ 2.759-82, ОУ обозначается прямоугольником (рис. 1а). В литературе иногда встречается старое обозначение (рис. 1б)

На рис. 1а дополнительные поля с правой стороны прямоугольника служат для указания назначений дополнительных выводов, например, выводов питания, коррекции, корпуса микросхемы и др.

Для питания ОУ используются, как правило, два источника питания разной полярности.

Для полного описания свойств операционного усилителя необходимо знать десятки его параметров. Сведения о некоторых основных параметрах можно получить из [1].

Структурная схема интегрального ОУ состоит обычно из входного, промежуточного и оконечного каскадов.

28