Romanov knyga

LabVIEW:

Elektronikos

praktiniai darbai

S. Borodinas, V. Batovrin, A. Bessonov, V. Moshkin, A. Romanov

Vilniaus Pedagoginis

Universitetas

Lab

VIE

W: E

elektro

nik

os p

raktin

iai darb

ai

2

PRATARMĖ

Mokslo priemonėje pateiktas LabVIEW analoginės ir skaitme-

ninės elektronikos praktiniai laboratoriniai darbai, atliekami virtua-

lių prietaisų pagrindu. Knyga skirta studentams, besimokantiems

pagal bakalaurų ruošimo programą, diplomuotiems elektroninių

prietaisų gamybos specialistams ir magistrantams, studijuojantiems

discipliną „Elektronika ir mikroprocesorinė technika“. Knyga gali

būti panaudota ir kaip gretutinių disciplinų vadovėlis kitų paruo-

šimo krypčių ir specialybių studentams, todėl visi laboratoriniai

darbai pradedami trumpu teoriniu įvadu.

Šis vadovėlis - bendras VPU FTF doc. S. Borodino ir Maskvos

Radiotechnikos, Elektronikos ir Automatikos institutų - MIREA

katedros vedėjo prof. V. Batovrino bei doc. A. Bessonovo ir V. Mos-

hkino leidinys. Autoriai dėkoja „National Instruments“ Rusijos cen-

tro vadovui P. Sepojanui, „National Instruments“ atstovui Lietuvo-

je, PĮ „J. ir A. Romanovai“ už informacinę bei techninę pagalbą,

VPU FTF darbuotojui A. Stasiukynui už vertingas pastabas termini-

jos klausimais.

ĮŽANGA

Šiuolaikinės informacinės technologijos duoda geras galimybes

sukurti naujas mokymo priemones ir naujus metodus. Vienas iš

svarbiausių ir sunkiai išsprendžiamų uždavinių yra kompiuterinės

laboratorinės praktikos sukūrimas.

Bet kurios disciplinos laboratorinės praktikos pagrindą sudaro

matavimo priemonių kompleksas, sujungtas su laboratoriniais ma-

ketais, kurių pagalba atkuriami nagrinėjami reiškiniai ir procesai.

Iki šiol mokymo laboratorijose dažniausiai buvo naudojami tradici-

niai matavimo prietaisai. Šiuolaikiška tendencija tampa panaudoji-

mas mokymo tikslams kompiuterinių matavimo priemonių, sukur-

tų panaudojant virtualių prietaisų technologiją. Virtualus prietaisas

(VP) mokymo laboratorijoje - tai matavimo priemonė, dažniausiai

personalinis kompiuteris, aprūpintas papildomomis specialiomis

3

programomis ir įvairiais matavimo moduliais, pavyzdžiui, daugia-

funkcine įvedimo - išvedimo plokšte. VP leidžia automatizuoti ma-

tavimo informacijos surinkimo, apdorojimo ir pateikimo operacijas,

turi patogų vartotojo aplanką, o jo programinės ir aparatinės prie-

monės realizuoja funkcijas, būdingas tradicinėms matavimo prie-

monėms, ir leidžia pateikti rezultatus vaizduoklio ekrane patogia

naudotojui forma. VP schema, naudojama laboratorinėje praktikoje,

parodyta 1 pav.

Programinis VP aprūpinimas gali būti atliekamas ir standarti-

nėmis priemonėmis, tokiomis kaip Visual C ++, Visual Basic ir pan.,

ir pasitelkiant programines priemones, specialiai skirtas matavimo

informacijos surinkimo, pertvarkymo ir apdorojimo užduočių

sprendimui. Šiandien tarp tokių specializuotų programinių prie-

monių labiausiai tinkamu galima laikyti kompanijos National In-

strument programinį paketą LabVIEW.

1 pav. Virtualaus prietaiso struktūra

4

Rinkoje pateikiami prietaisai, skirti matavimo procesų ir proce-

dūrų automatizavimui, beveik visada komplektuojami LabVIEW

programine aplinka. Programinės įrangos kūrimas šioje programi-

nėje aplinkoje vyksta vizualiomis priemonėmis. Tai nereikalauja iš

kuriančiojo gilių programavimo žinių.

Laboratorinių darbų atlikimui bus reikalingas bazinis laborato-

rinis stendas, turįs šiuolaikinį asmeninį kompiuterį (AK), aprūpintą

operacine sistema Windows 9x ar naujesne versija ir specializuotu

prietaisų komplektu, o taip pat originalia programine įranga.

Specializuotų prietaisų pasirinkta laboratorinė stotis NI ELVIS

II. Stendas komplektuojamas laboratorinių modulių rinkiniu, ku-

riuose surinktos tiriamosios schemos. Atliekant laboratorinius dar-

bus, atitinkami moduliai įstatomi į laboratorinės stoties NI ELVIS II

pereinamosios plokštės lizdus. Laboratorinio stendo vaizdas paro-

dytas 2 pav.

Laboratorinio darbo stoties paruošimo tvarka ir darbo su Lab-

VIEW programine įranga instrukcija pateiktos priede bei prie kny-

gos pridedamame kompaktiniame diske.

Pagrindinis valdymo langas vaizduoklyje apsprendžia išorinį

VP vaizdą ir patogų valdymą. Valdymo lange išdėstyti įvairūs VP

valdymo elementai (jungikliai, mygtukai, įvedimo langai ir t.t.) ir

matavimo rezultatų atvaizdavimo elementai (skaitmeniniai indika-

2 pav. Laboratorinio stendo vaizdas

5

toriai, grafiniai ekranai ir t.t.). Pateiktas naudotojo valdymo langas

yra gana paprastas, todėl užduočių atlikimui reikalingi tik įprasti-

niai darbo su personaliniu kompiuteriu įgūdžiai. Sėkmingam darbo

atlikimui reikalingas laboratoriniame darbe keliamų tikslų ir už-

duočių supratimas.

Ruošiantis atlikti darbą, reikia atkreipti dėmesį į klausimus iš

skyriaus “TEORINĖ DALIS“, esančio kiekviename darbe. Be šio

teorinio įvado, būtina dar išnagrinėti nurodytus užduotyje pagrin-

dinės literatūros skyrius, o, reikalui esant, naudinga pasinaudoti ir

papildoma literatūra. Pagrindinės ir papildomos literatūros sąrašai

pateikti vadovėlio gale.

Atliekant laboratorinį darbą, įjungus kompiuterį, visais atvejais

reikia atidaryti programinės įrangos aplanką ir įkrauti laboratorinio

darbo programą (dvigubas spragtelėjimas ant failo Lab-n.vi, kur n -

darbo numeris). Vaizduoklio ekrane atsidarys langas, kurio vaizdas

parodytas 3 pav.

Programa paleidžiama, nuspaudus mygtuką RUN su pavaiz-

duota strėle .

Laboratorinio darbo atlikimo procese būtina susipažinti su sky-

riumi „LABORATORINIO STENDO APRAŠYMAS“ ir nuosekliai

atlikti visus nurodymus, duotus skyriuje „DARBO UŽDUOTIS“.

Atliekant užduotį, vaizduoklio ekrane gali pasirodyti papildomos

nuorodos. Matavimo ir stebėjimo rezultatus galima įvesti į ataskaitą

iškart juos gavus. Tam tikslui patogu naudotis tekstiniu redakto-

riumi MS Word. Numatoma, kad studentai moka pagrindinius teks-

to sudarymo ir apdorojimo, lentelių sudarymo ir formatavimo me-

todus.

3 pav. LabVIEW programos atidaryto lango vaizdas

6

Atliekant užduotį, rekomenduojama orientuotis į tekste nuro-

dytas elektrinių parametrų vertes. Galimi ir nežymūs (±10% ribose)

nukrypimai nuo rekomenduojamų reikšmių. Reikia pažymėti, kad

su naudojamais maketais, pakeitus programinę įrangą, galima atlik-

ti ir papildomus tyrimus. Tokių darbų tikslus ir tvarką turi nustatyti

dėstytojas, įvertindamas NI ELVIS II įvedimo - išvedimo laborato-

rinės stoties galimybes.

Atlikto darbo ataskaitos sudarymo patogumui aprašyme patei-

kiami rekomenduojami lentelių tipai ir nurodymai, kaip išsaugoti

eksperimentinius duomenis elektronine forma.

Darbo ataskaita pateikiama rekomenduojama forma, kurią gali

koreguoti dėstytojas arba laboratorinio darbo vadovas.

7

TURINYS

PRATARMĖ .................................................................................................... 2

ĮŽANGA .......................................................................................................... 2

LABORATORINIS MODULIS NR. 1

PUSLAIDININKIŲ DIODŲ IR STABILITRONŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS.............................................................................. 11

2. TEORINĖ DALIS .............................................................................. 11

3. LABORATORINIO STENDO APRAŠYMAS ................................. 18

4. DARBO UŽDUOTIS ........................................................................ 18

1 užduotis. Lygintuvinio diodo voltamperinės charakteristikos tyrimas ... 19

2 užduotis. Stabilitrono voltamperinės charakteristikos tyrimas ................. 21

3 užduotis. Vieno pusperiodžio puslaidininkinio lygintuvo tyrimas .......... 22

5. KONTROLINIAI KLAUSIMAI ........................................................ 23


TIRISTORIAUS IR VALDOMO LYGINTUVO CHARAKTERISTIKŲ

TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS.............................................................................. 24

2. TEORINĖ DALIS .............................................................................. 24


4. DARBO UŽDUOTIS ........................................................................ 31

1 užduotis. Tiristoriaus VACh tyrimas ............................................................ 32

2 užduotis. Tiristoriaus statinių charakteristikų šeimos gavymas ............... 34

3 užduotis. Valdomo vieno pusperiodžio lygintuvo tyrimas ....................... 35



TUNELINIO DIODO VOLTAMPERINĖS CHARAKTERISTIKOS

TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS.............................................................................. 37

2. TEORINĖ DALIS .............................................................................. 37


8

4. DARBO UŽDUOTIS ........................................................................ 42

1 užduotis. Tunelinio diodo VACh stebėjimas ............................................... 42

2 užduotis. Tunelinio diodo VACh matematinio modelio sudarymas ....... 44

3 užduotis. Rezultatų išsaugojimas .................................................................. 46

4 užduotis. Tunelinio diodo elektrinių parametrų nustatymas .................... 47



DVIPOLIO TRANZISTORIAUS CHARAKTERISTIKŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS.............................................................................. 48

2. TEORINĖ DALIS .............................................................................. 48


4. DARBO UŽDUOTIS ........................................................................ 57

1 užduotis. Dvipolio tranzistoriaus nuolatinės srovės perdavimo

koeficiento nustatymas ..................................................................................... 58

2 užduotis. Dvipolio tranzistoriaus įėjimo charakteristikos nustatymas

schemoje su bendru emiteriu ........................................................................... 59

3 užduotis. Dvipolio tranzistoriaus išėjimo charakteristikų šeimos

nustatymas schemoje su bendru emiteriu .................................................... 60

4 užduotis. Tranzistorinio kaskado su bendru emiteriu darbinio taško

nustatymas ......................................................................................................... 62



LAUKO TRANZISTORIAUS CHARAKTERISTIKŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS.............................................................................. 64

2. TEORINĖ DALIS .............................................................................. 65


4. DARBO UŽDUOTIS ........................................................................ 72

1 užduotis. Lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos gavimas

schemoje su bendra ištaka ................................................................................ 73

2 užduotis. Lauko tranzistoriaus kanalo varžos priklausomybės nuo

užtūros - ištakos įtampos grafiko gavimas .................................................... 74

3 užduotis. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikų šeimos matavimas

schemoje su bendra ištaka ................................................................................ 75

9

4 užduotis. Tranzistorinio kaskado su bendra ištaka darbo tyrimas ........... 77



SCHEMŲ SU OPERACINIAIS STIPRINTUVAIS TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS.............................................................................. 80

2. TEORINĖ DALIS .............................................................................. 80


4. DARBO UŽDUOTIS ........................................................................ 90

1 užduotis. Invertuojančio stiprintuvo perdavimo charakteristikos gavimas ........ 91

2 užduotis. Invertuojančio stiprintuvo darbo tyrimas ................................... 93

3 užduotis. Neinvertuojančio stiprintuvo perdavimo charakteristikos gavimas .... 95

4 užduotis. Neinvertuojančio stiprintuvo darbo tyrimas .............................. 96

5 užduotis. Įtampos integratoriaus darbo tyrimas ......................................... 97

6 užduotis. Įtampos diferencijatoriaus darbo tyrimas ................................... 99

5. KONTROLINIAI KLAUSIMAI ...................................................... 100


ANALOGINIŲ ĮTAMPOS KOMPARATORIŲ CHARAKTERISTIKŲ

TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS............................................................................ 102

2. TEORINĖ DALIS ............................................................................ 102

3. LABORATORINIO STENDO APRAŠYMAS ............................... 109

4. DARBO UŽDUOTIS ...................................................................... 110

1 užduotis. Vienaslenksčio komparatoriaus perdavimo charakteristikos

gavimas............................................................................................................. 111

2 užduoties. Vienaslenksčio komparatoriaus darbo tyrimas ...................... 112

3 užduotis. Histerezinio komparatoriaus perdavimo charakteristikos

gavimas............................................................................................................. 113

4 užduotis. Histerezinio komparatoriaus darbo tyrimas............................. 115



SKAITMENINIŲ SCHEMŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS............................................................................ 117

10

2. TEORINĖ DALIS ............................................................................ 117

3. LABORATORINIO STENDO APRAŠYMAS ............................... 127

4. DARBO UŽDUOTIS ...................................................................... 127

1 užduotis. Skaitmeninių loginių elementų tyrimas .................................... 127

2 užduotis. Dešifratoriaus 2x4 darbo tyrimas ............................................... 128

3 užduotis. Multipleksoriaus 4x1 darbo tyrimas .......................................... 129

4 užduotis. Asinchroninio RS - trigerio darbo tyrimas ................................ 131

5 užduotis. Dviejų pakopų JK- trigerio darbo tyrimas ................................ 132

6 užduotis. Dviejų pakopų D - trigerio darbo tyrimas................................. 134

7 užduotis. Skaičiuojančio T- trigerio darbo tyrimas .................................. 135

8 užduotis. Asinchroninio dvejetainio skaitiklio darbo tyrimas ................ 137

9 užduotis. Asinchroninio skaitiklio su perskaičiavimo koeficientu 10 darbo

tyrimas .............................................................................................................. 138


PRIEDAS ..................................................................................................... 140

LITERATŪRA ............................................................................................. 144

11

LABORATORINIS MODULIS Nr. 1

PUSLAIDININKIŲ DIODŲ IR STABILITRONŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

lygintuvinio puslaidininkinio diodo voltamperinės charakteris-

tikos (VACh) tyrimas;

stabilitrono VACh tyrimas;

lygintuvinio puslaidininkio darbo tyrimas.

2. TEORINĖ DALIS

lygintuvinių ir specialių puslaidininkinių diodų sandara, pa-

skirtis ir pagrindinės charakteristikos *1, 2, 3];

puslaidininkinių prietaisų VACh *1, 2, 3];

puslaidininkinių diodų įjungimo schemos *1, 3];

lygintuvinių diodų schemų principai ir veikimo ypatumai

[1].

Puslaidininkinis diodas yra dviejų elektrodų puslaidininkinis

prietaisas, turintis vieną p-n sandūrą.

Visus puslaidininkinius diodus galima suskirstyti į dvi grupes:

lygintuvinius ir specialiuosius. Lygintuviniai diodai skirti kintama-

jai srovei lyginti. Priklausomai nuo lyginamosios srovės dažnio ir

formos jie skirstomi į žemo dažnio, aukšto dažnio ir impulsinius.

Specialieji puslaidininkiniai diodai naudoja įvairias p-n sandūrų

savybes, pvz. pramušimo reiškinį, fotoefektą, VACh sričių su nei-

giama varža egzistavimą ir kt. Specialieji diodai naudojami nuolati-

nei įtampai stabilizuoti, optiniam spinduliavimui registruoti, for-

muoti elektrinius signalus ir t.t.

Lygintuviniai diodai

Lygintuviniai puslaidininkiniai diodai dažniausiai gaminami iš

silicio, germanio ar galio arsenido. Klasifikuoti šiuos diodus galima

pagal konstrukciją ir gamybos technologiją. Pagal konstrukciją ly-

12

gintuviniai diodai skirstomi į plokštinius ir taškinius, o pagal ga-

mybos technologiją į lydytinius, difuzinius ir epitaksinius.

Plokštiniai diodai pasižymi dideliu p-n sandūros plotu ir nau-

dojami didelių srovių (iki 30A) lyginimui. Taškiniai diodai, turintys

mažą p-n sandūros plotą, skirti lyginti mažoms srovėms (iki 30mA).

Paprastai lygintuvinis puslaidininkinis diodas normaliai dirba

iki 1000V įtampos. Prireikus padidinti lyginamąją įtampą, naudo-

jami lyginimo stulpai, susidedantys iš eilės nuosekliai sujungtų pus-

laidininkinių diodų, kas leidžia įtampą padidinti iki 15000V.

Didelių srovių lyginimui skirti lygintuviniai didelio galingumo

diodai vadinami jėginiais. Jie leidžia lyginti sroves iki 30A. Tokie

diodai dažniausiai gaminami iš silicio ar galio arsenido, nes germa-

niui būdinga didesnė atbulinės srovės per p-n sandūrą priklauso-

mybė nuo temperatūros.

Lydinių diodai dažniausiai naudojami lyginti kintamai srovei

iki 5kHz dažnio. Difuziniai silicio diodai gali dirbti ir padidinto

dažnio, iki 100kHz, zonoje. Epitaksiniai silicio diodai su metalo

sluoksniu (su Šotkio barjeru) naudojami kaip aukšto dažnio (iki

500kHz) diodai. Geriausiomis dažnio charakteristikomis pasižymi

galio arsenido lygintuviniai diodai, dirbantys dažnio diapazone iki

kelių megahercų.

Pagrindines puslaidininkinių diodų charakteristikas gauname

analizuodami jų VACh. Analizuojant VACh reikia atkreipti dėmesį

į tai, kad srovės 𝐼 per p-n sandūrą priklausomybė nuo įtampos 𝑈

kritimo sandūroje išreiškiama Eberso-Molo lygtimi:

𝐼 = 𝐼𝑆 𝑒𝑈 𝜑𝑇 − 1 , (1.1)

kur 𝐼𝑆 - atbulinė diodo prisotinimo srovė, o 𝜑𝑇 - šilumos poten-

cialas.

Kadangi puslaidininkiams prie 𝑇 = 300K šilumos potencialas

𝜑𝑇 = 25mV, jau esant įtampai 𝑈 = 0,1V galima naudotis supapras-

tinta formule:

𝐼 = 𝐼𝑆𝑒𝑈 𝜑𝑇 . (1.2)

13

Svarbus diodo charakteristikos parametras yra diferencialinė p-

n sandūros varža, lygi įtampos kritimo ant diodo pokyčio santykiui

su srovės per diodą pokyčiu:

𝑟𝑑𝑖𝑓 =𝑑𝑈

𝑑𝐼. (1.3)

Naudojant (1.2) ir (1.3), diferencinę varžą galima apskaičiuoti

tiksliau: 1

𝑟𝑑𝑖𝑓=

𝑑𝐼

𝑑𝑈=

1

𝜑𝑇 𝐼 + 𝐼𝑆 . (1.4)

Tekant srovei (priklausomai nuo diodo tipo srovė gali būti nuo

vienetų miliamperų iki dešimčių amperų) per p-n sandūrą, puslai-

dininkio tūryje krenta įtampa, kurios negalime ignoruoti. Šiuo atve-

ju Eberso - Molo lygtis atrodo taip:

𝐼 = 𝐼𝑆𝑒 𝑈−𝐼𝑆𝑅 𝜑𝑇 , (1.5)

Kur 𝑅 - viso puslaidininkio kristalo varža, vadinamoji nuosek-

lioji varža.

1.1a pav. parodytas grafinis puslaidininkinio diodo žymėjimas

elektrinėse schemose, 1.1b pav. - jo struktūra. Diodo elektrodas, pri-

jungtas prie p srities, vadinamas anodu, o elektrodas, prijungtas

prie n srities, vadinamas katodu. Statinė VACh parodyta 1.1c pav.

1.1 pav. Puslaidininkinio diodo grafinis žymėjimas (a), struktūra

(b) ir statinė voltamperinė charakteristika (c)

14

Stabilitronas

Stabilitronas - tai puslaidininkinis diodas, kurio p-n sandūra

dirba griūtinio pramušimo režimu. Toks režimas gaunamas prijun-

gus p-n sandūrą atbuline kryptimi. Griūtinio pramušimo režime,

srovei kintant plačiame diapazone, įtampos kritimas ant diodo lieka

praktiškai nepakitęs. 1.2a,b pav. parodyta stabilitrono grafinis žymė-

jimas, o 1.2c pav. - tipinė VACh.

Tipinio mažo galingumo silicio stabilitrono griūtinė srovė lygi

maždaug 10mA, todėl srovės per stabilitroną apribojimui nuosekliai

su juo įjungiama ribojamoji varža 𝑅𝑟 (1.3a pav.). Jei griūtinė srovė

tokia, kad galingumas, išsklaidomas stabilitrone, neviršija leistino

dydžio, tai tokiame režime prietaisas gali dirbti neribotai ilgai.

Daugumai stabilitronų ribinė leistina išsklaidomo galingumo nor-

ma yra nuo 100mW iki 10W.

1.2 pav. Stabilitrono grafinis žymėjimas (a - vienpusio, b - dvipu-

sio) ir VACh (c): UST - stabilizacijos įtampa

1.3 pav. Stabilitrono (a) ir stabistorio (b) jungimo schema:

Rr - ribojamoji varža, Uįė - įėjimo įtampa, Ra -

apkrovos varža

a) b)

Uįė Uįė Ust Ust

15

Kai kada įtampos stabilizacijai naudojamas reiškinys, kad tie-

sioginis įtampos kritimas diode nedaug priklauso nuo tekančios per

p-n sandūrą srovės stiprio. Prietaisai, kuriuose naudojamos šis efek-

tas, vadinami stabistoriais. Įtampos kritimas p-n sandūroje tiesiogi-

ne kryptimi dažniausiai sudaro nuo 0,7 iki 2V, todėl stabistoriai lei-

džia stabilizuoti tik mažas įtampas (ne daugiau 2V).

Srovės apribojimui per stabistorių nuosekliai su juo įjungiama

varža 𝑅𝑟 (1.3b pav.).

Diferencinė stabilitrono varža - tai parametras, charakterizuo-

jantis jo VACh nuolydį pramušimo zonoje:

𝑟𝑑𝑖𝑓 =∆𝑈𝑠𝑡

∆𝐼𝑠𝑡 (1.6)

1.4 pav. parodyta tiesinė stabilitrono VACh atkarpa, nustatanti

prietaiso diferencinę varžą.

Puslaidininkiniai lygintuvai

Lygintuvu vadinamas įtaisas, skirtas kintamai srovei paversti

nuolatine. Pagrindinė lygintuvų paskirtis - išlaikyti apkrovimo sro-

vės kryptį kintant įtampos poliškumui. Sukurta daug puslaidinin-

kinių lygintuvų schemų, besiskiriančių diodų kiekiu ir jų jungimu.

Toliau išnagrinėtos kai kurios iš tų schemų.

1.5 pav. parodyta vienfazio vieno pusperiodžio lygintuvo schema.

Kur T - yra transformatorius, 𝑅𝑎𝑝 - apkrovos varža, 𝑢1 ir 𝑢2 - pirmi-

1.4 pav. Linearizuota stabilitrono charakteristika

16

nės ir antrinės transformatoriaus apvijos įtampos amplitudė ir 𝑈𝑖š -

išėjimo įtampa.

Vienfazis vieno pusperiodžio lygintuvas praleidžia tik vieną

maitinančiosios įtampos pusperiodį (1.6 pav.). Išlygintos įtampos

vidutinė vertė lygintuvo išėjime skaičiuojama pagal formulę:

𝑈𝑖š =1

𝑇 𝑈𝑚

𝑇

0𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡𝑑𝑡 =

𝑈𝑚

𝜋, (1.7)

kur 𝑈𝑚 - antrinės transformatoriaus apvijos įtampos amplitudė; 𝑇 -

įėjimo įtampos periodas; 𝜔 - kampinis signalo dažnis, 𝜔 = 2𝜋 𝑇 .

Lygintuvo išėjimo įtampos pulsacijų periodas yra lygus įėjimo

įtampos periodui. Maksimali atbulinė diodo įtampa yra lygi di-

džiausiai įėjimo įtampai:

𝑈𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑚 (1.8)

1.6 pav. Įtampos formos vienfazių pusperiodžių lygintuvo

įėjime (a) ir išėjime (b)

1.5 pav. Vienfazio vieno pusperiodžio lygintuvo schema

u1 u2 Rap Uiš

17

1.7 pav. parodyta dvifazio dviejų pusperiodžių lygintuvo schema.

Iš esmės mes čia turime du lygiagrečiai sujungtus vienfazius

lygintuvus, kurie maitinami nuo dviejų antrinės transformatoriaus

apvijos pusių. Tokiu būdu sukuriami du priešingų fazių maitinimo

lygintuvai, turintys vieną tą pačią apkrovą. Įtampos forma tokio

lygintuvo išėjime parodyta 1.8 pav.

Dvifazis dviejų pusperiodžių (dvipusis) lygintuvas pasižymi

geru transformatoriaus išnaudojimu. Išlygintos įtampos vidutinė

vertė lygintuvo išėjime skaičiuojama pagal formulę:

𝑈𝑖š =2𝑈𝑚

𝜋 (1.9)

Dvipusio lygintuvo išėjimo signalo periodas du kartus trum-

pesnis negu vienpusio. Maksimali atbulinė kiekvieno diodo įtampa

lygi didžiausios įtampos antrinėje apvijoje (įtampų dvejose apvijos

pusėse sumai 𝑢2 = 𝑢2 ′ + 𝑢2

′′) ir tiesioginio įtampos kritimo diode 𝑈𝑘𝑟

skirtumui:

𝑈𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑚 − 𝑈𝑘𝑟 (1.10)

1.7 pav. Dvifazio dviejų pusperiodžių lygintuvo schema

1.8 pav. Įtampos formos dvifazio dviejų pusperiodžių lygintuvo įėjime ir išėjime

Uiš Rap

𝑢2 ′

𝑢2 ′′

𝑢1

18

Praktiškai plačiausiai naudojamas vienfazis dviejų pusperio-

džių tiltinis lygintuvas, kurio schema parodyta 1.9 pav.

Įtampos forma tiltinio lygintuvo įėjime ir išėjime, taip pat vidu-

tinis išėjimo įtampos dydis 𝑈𝑖š tokie pat kaip dvifazio dviejų puspe-

riodžių lygintuvo. Didžiausia atbulinė įtampa 𝑈𝑚𝑎𝑥 tiltiniame ly-

gintuve lygi transformatoriaus antrinės apvijos įtampai.

Tiltinis lygintuvas, skirtingai nei dvifazis dviejų pusperiodžių

lygintuvas, gali dirbti be transformatoriaus. Tiltinės schemos trū-

kumas - reikalingas dvigubas lygintuvinių diodų kiekis.

3. LABORATORINIO STENDO APRAŠYMAS

Laboratorinį stendą sudaro:

bazinis laboratorinis stendas;

laboratorinis modulis Lab1A lygintuvinio diodo 1N4148

VACh ir stabilitrono 1N4736A tyrinėjimui.

4. DARBO UŽDUOTIS

Redaktoriumi MS Word paruoškite ataskaitos šabloną. Sumon-

tuokite modulį Lab1A ant maketinės laboratorinės stoties NI ELVIS

II plokštės. Išorinis modulio vaizdas parodytas 1.10 pav.

Paleiskite programą Lab-1.vi.

Susipažinę su darbo tikslu nuspauskite mygtuką „Pradėti

darbą“. Ekrane pasirodys 1 užduoties Virtualaus Prietaiso (VP)

vaizdas (1.12 pav.).

Pastaba: Čia ir toliau elektrinėse jungimo schemose naudojami

tokie žymėjimai:

1.9 pav. Vienfazio dviejų pusperiodžio tiltinio lygintuvo schema

19

1. DAC0 - analoginis išėjimas 0;

2. ACH3+ - Analog Channel 3+ - analoginis įėjimas 3, polišku-

mas +;

3. AIGND - Analog Input Ground - analoginė žemė;

4. DI2 – Digital Input 2 - skaitmeninis įėjimas - išvadas 2;

5. GROUND - skaitmeninė žemė;

6. +5V, +15V, -15V – maitinimo šaltinių įjungimas.

1 užduotis. Lygintuvinio diodo voltamperinės charakteristikos ty-

rimas

VACh tyrinėjimui naudojama elektrinė jungimo schema, paro-

dyta 1.11 pav.

4.1.1. Sukurkite lygintuvinio diodo VACh tiesiąją atšaką. Tam

tikslui VP valdymo elementais 𝐸𝑚𝑖𝑛 ir 𝐸𝑚𝑎𝑥 nustatykite įtampos

kitimo diapazoną šaltinio 𝐸 išėjime (rekomenduojamos ribos nuo 0

iki +2V), po to VP valdymo lange nuspauskite mygtuką „Matavi-

mas“. Grafiniame indikatoriuje VP pasirodys lygintuvinio puslaidi-

ninkinio diodo VACh.

4.1.2. Nukopijuokite gautą VACh į keitimo buferį, tam tikslui pa-

spauskite dešinį pelės mygtuką indikatoriaus vaizde ir išrinkite iš

kontekstinio meniu komandą „Copy Data“. Pereikite į redaktorių

MS Word, įterpkite indikatoriaus vaizdą iš keitimo buferio į ataskai-

tos puslapį.

4.1.3. Panaudodami VACh, nustatykite statinę ir diferencinę pus-

laidininkinio diodo varžą. Tam tikslui, keisdami įtampą šaltinio 𝐸

1.10 pav. Išorinis diodo ir stabilitrono

charakteristikų tyrimo modulio

Lab1A vaizdas

1.11 pav. Elektrinė jungimo sche-

ma, lygintuvinio diodo

VACh tyrimui

20

išėjime slankiojančio reguliatoriaus pagalba, nustatykime iš pradžių

srovę per diodą apie 5mA, o po to maždaug 6mA. Ataskaitoje užra-

šykite ampermetro 𝐼𝑑 ir voltmetro 𝑈𝑑 parodymus tiems diodo

VACh taškams.

Remiantis gautais duomenimis išskaičiuokite statinę diodo var-

žą nurodytuose taškuose pagal formulę 𝑅𝑠𝑡 = 𝑈𝑘𝑟 𝐼𝑘𝑟 ir diferencinę

varžą pagal formulę 𝑟𝑑𝑖𝑓 = ∆𝑈 ∆𝐼 . Palyginkite gautus duomenis su

žinyno duomenimis. Rezultatus užrašykite į ataskaitą.

4.1.4. Pakartokite tyrinėjimus, nurodytus 4.1.3 p. VACh taškams,

atitinkamiems srovei per diodą 0,5mA ir 1mA.

4.1.5. Pagal diodo VACh nustatykite lanksto įtampą. Lanksto

įtampa nustatoma pagal tiesią charakteristikos atkarpą taškui, kur

charakteristika staigiai pereina į laužtinę. Palyginkite gautą dydį su

žinyno duomenimis. Rezultatus įrašykite į ataskaitą.

4.1.6. Nuspauskite priekiniame valdymo lange mygtuką „Pereiti

prie 2 užduoties“, ekrane pasirodys 2 užduoties VP valdymo lan-

gas (1.13 pav.).

1.12 pav. 1 užduoties VP vaizdas

21

2 užduotis. Stabilitrono voltamperinės charakteristikos tyrimas

Stabilitrono VACh tyrinėjimui naudojama elektrinė schema, pa-

rodyta 1.14 pav.

4.2.1. Sudarykite stabilitrono VACh. Tam tikslui (1.13 pav.) val-

dymo elementų VP Emin ir Emax pagalba pasirinkite įtampos kitimo

diapazono šaltinio E išėjime (rekomenduojamos ribos nuo -10V iki

+2V) ir nuspauskite VP valdymo lange mygtuką „Matavimas“. VP

atliks eilę matavimų ir jo grafiniame indikatoriuje pasirodys stabi-

litrono VACh grafikas.

4.2.2. Nukopijuokite gautą VACh į keitimo buferį, o po to įterpkite

indikatoriaus vaizdą iš keitimo buferio į ataskaitos puslapį.

4.2.3. Pagal gautą VACh nustatykite stabilizacijos įtampą, kuri ati-

tinka srovę per stabilitroną Ist = −10mA. Palyginkite gautą rezulta-

tą su žinyno duomenimis. Rezultatus užrašykite ataskaitoje.

4.2.4. Pagal stabilitrono VACh nustatykite jo diferencinę varžą.

Tam tikslui, slankiojančiu reguliatoriumi keisdami įtampą šaltinio E

išėjime, nustatykite srovę per stabilitroną apie -5mA, o po to apie -

15mA. Užrašykite ataskaitoje ampermetro Id ir voltmetro Ud paro-

dymus šioms srovės reikšmėms, nustatykite įtampą šaltinio E išėji-


22

me ir įtampos kritimą stabilitrone Ust . Apskaičiuokite diferencinę

stabilitrono varžą rdif = ∆U ∆I ir stabilizacijos koeficientą kst =

∆Uįė ∆Ust . Gautus rezultatus palyginkite su žinyno duomenimis.

Skaičiavimų rezultatus įrašykite į ataskaitą.

4.2.5. Priekiniame VP valdymo lange nuspauskite mygtuką „Per-

eiti prie 3 užduoties“, ekrane pasirodys 3 užduoties VP valdymo

langas (1.15 pav.).

3 užduotis. Vieno pusperiodžio puslaidininkinio lygintuvo tyrimas

Vieno pusperiodžio puslaidininkinio lygintuvo darbo tyrimui

naudojama elektrinė schema, parodyta 1.12 pav. Skirtumą sudaro

1.14 pav. Elektrinė jungimo schema, stabilitrono VACh tyrimui


23

tai, kad VP paduoda į schemos įėjimą ne nuolatinę, bet harmoninę

virpesį (1.15 pav.).

4.3.1. Nuimkite įtampos oscilogramas lygintuvo įėjime ir išėjime.

Tam tikslui, panaudodami valdymo elementą 𝑈įė,𝑚 , nustatykite

įėjimo signalo amplitudę 𝑈įė, apytikriai lygią 2V, po to nuspauskite

priekinio VP valdymo lango mygtuką „Matavimas“. Grafiniai VP

indikatoriai parodys lygintuvo schemos įėjimo ir išėjimo signalų

oscilogramas.

4.3.2. Nukopijuokite gautas oscilogramas į ataskaitos puslapį.

4.3.3. Išmatuokite ir užrašykite ataskaitoje maksimalią įtampą ly-

gintuvo išėjime 𝑈𝑖š𝑚𝑎𝑥 . Išmatavimui panaudokite vizyro liniją, ku-

rios padėtis keičiama slankiojančiu reguliatoriumi, esančiu prieki-

niame VP valdymo lange, ir skaitmeninį indikatorių, rodantį įtam-

pos lygį (1.15 pav.).

4.3.4. Paskaičiuokite ir įrašykite į ataskaitą vidutinį išlygintos

įtampos dydį lygintuvo išėjime. Skaičiuokite pagal formulę

𝑈𝑣𝑖𝑑 .𝑙𝑦𝑔 . = 𝑈𝑖š𝑚𝑎𝑥 𝜋 .

4.3.5. Panaudodami gautas oscilogramas, palyginkite signalų ki-

timo periodus lygintuvo įėjime ir išėjime ir išmatuokite didžiausią

atbulinę diodo įtampą. Išvadas ir rezultatus užrašykite ataskaitoje.

4.3.6. Išjunkite VP, paspausdami priekiniame valdymo lange

mygtuką „Darbo pabaiga“.

5. KONTROLINIAI KLAUSIMAI

Koks elektroninis prietaisas vadinamas puslaidininkiniu

diodu?

Palyginkite sroves per lygintuvinį puslaidininkinį diodą,

esant tiesioginiam ir atbuliniam dydžių priešįtampiai. Pa-

aiškinkite skirtumą.

Kas yra diodo srovės prisotinimas?

Kam naudojami stabilitronai?

Kuri stabilitrono VACh atšaka yra darbinė?

Kaip nustatomas stabilizacijos koeficientas?

24

Ar galima panaudoti stabilitroną kintamos srovės lygintuvų

schemose?

Ar stabilitronus galima įjungti nuosekliai? Lygiagrečiai? Ko-

kias tokiu būdu galime gauti papildomas savybes?

Kokie yra stabilitrono parametrų terminės kompensacijos

būdai?

Kuo skiriasi išėjimo įtampa vieno pusperiodžio ir dviejų

pusperiodžių lygintuvuose?

Palyginkite didžiausią atbulinę įtampą vieno pusperiodžių ir

dviejų pusperiodžių dioduose?

Ar vienodi dviejų pusperiodžių lygintuvo įėjimo ir išėjimo

įtampos dažniai?

Kokia lygintuvo schema pasižymi mažiausia pulsacijos am-

plitude išėjime?

Kaip tiksliai darbo eigoje nustatomi puslaidininkinių prietai-

sų parametrai? Nuo ko šiuo atveju gali priklausyti gautų re-

zultatų kokybė?


TIRISTORIAUS IR VALDOMO LYGINTUVO

CHARAKTERISTIKŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

tiristoriaus voltamperinės charakteristikos tyrimas ir jo pa-

rametrų nustatymas;

tiristoriaus statinių charakteristikų šeimos nustatymas;

reguliuojamo vieno pusperiodžio lygintuvo darbo tyrimas.

2. TEORINĖ DALIS

dinistoriaus sandara, veikimo principas ir pagrindinės cha-

rakteristikos [1, 2, 4];

tiristorių konstrukcijos ypatybės ir VACh *1, 2, 3, 4];

dinistoriaus ir tiristoriaus jungimo schemos [1];

25

simistoriaus konstrukcijos ypatybės ir VACh *1, 2];

valdomų lygintuvų, sukurtų tiristoriaus pagrindu, schemų

sudarymo principai [1, 4].

Tiristorius yra puslaidininkinis prietaisas su dviem pastoviomis

laidumo būsenomis, turintis dvi ar tris lyginimo sandūras, ir kurį

galima perjungti iš uždaros padėties į atvirą ir atvirkščiai. Skiriami

diodiniai (nevaldomi) ir triodiniai (valdomi) tiristoriai. Diodinis

tiristorius dar vadinamas dinistoriumi. Kintamos srovės grandinių

komutacijai skirti specialūs simetriniai tiristoriai - simistoriai.

Dinistorius - tai dviejų elektrodų diodinis prietaisas, turintis tris

p-n sandūras. Kraštinė p sritis vadinama anodu, o kita kraštinė sritis

n - katodu. Dinistoriaus struktūra parodyta 2.1a pav. Trys dinisto-

riaus p-n sandūros žymimos J1, J2 ir J3. Grafinis dinistoriaus žymėji-

mas parodytas 2.1b pav.

Dinistorių galima nagrinėti kaip dvi triodines struktūras, su-

jungtas tarpusavyje. Dinistoriaus dalijimas į jo sudėtinius tranzisto-

rius ir pakeitimo schema parodyti 2.2 pav. Esant tokiam sujungimui,

pirmojo tranzistoriaus kolektoriaus srovė yra antrojo bazės srove, o

antrojo tranzistoriaus kolektoriaus srovė yra pirmojo bazės srove.

Dėl tokio sujungimo prietaiso viduje susikuria teigiamas grįžtama-

sis ryšys.

Jeigu į anodą paduodama teigiama (katodo atžvilgiu) įtampa,

tai sandūros J1 ir J3 bus įjungtos tiesiogine kryptimi, o sandūra J2 -

atbuline, todėl visa šaltinio E įtampa bus sandūroje J2. Tranzisto-

2.1 pav. Dinistoriaus struktūra (a) ir grafinis žymėjimas (b)

26

riaus T1 ir T2 emiterio srovės perdavimo koeficientai tegu turi

reikšmes ∝1 ir ∝2 atitinkamai.

Pagal pakeitimo schemą (2.2b pav.) srovė per dinistorių lygi

abiejų tranzistorių kolektorių srovių ir nuotėkio srovės 𝐼𝑘0 sumai

𝐼 =∝1 𝐼𝑒1 +∝2 𝐼𝑒2 + 𝐼𝑘0 (2.1)

Srovė išorinėje grandinėje lygi 𝐼𝑒1 = 𝐼𝑒2 = 𝐼, todėl, įstačius 𝐼 į

(2.1), galima užrašyti: 𝐼 1 −∝1−∝2 = 𝐼𝑘0. Gauname išorinę srovę 𝐼,

lygią:

𝐼 =𝐼𝑘0

1− ∝1+∝2 (2.2)

2.2 pav. Dinistoriaus dalijimas į sudėtinius tranzistorius (a) ir jo

pakeitimo schema (b)

2.3 pav. Dinistoriaus voltamperinė charakteristika (a) ir jungimo schema (b):

𝑈į𝑗𝑢𝑛 - įjungimo įtampa; 𝑈𝑙𝑖𝑘 - likusios įtampos kritimas; 𝐼𝑎𝑝𝑘 - apkro-

vos srovė; 𝐼𝑖š𝑗𝑢𝑛 - išjungimo srovė; 𝐷1- diodas; 𝐷2-dinistorius; 𝑅𝑎𝑝𝑘 -

apkrovos varža; 𝑅- balastinė varža; 𝐶- kondensatorius; 𝑈𝑣𝑎𝑙𝑑 - valdy-

mo impulsas

27

Kol tenkinama sąlyga ∝1+∝2 ≪ 1, srovė dinistoriuje bus lygi

𝐼𝑘0. Kai ∝1+∝2 > 1, dinistorius įsijungia ir juo teka srovė. Tai ir

yra dinistoriaus įsijungimo sąlyga.

Vienintelis būdas padidinti srovės ∝1 ar ∝2 perdavimo koefi-

cientus yra anodo įtampos padidinimas. Įtampai pasiekus 𝑈 =

𝑈į𝑗𝑢𝑛 , vienas iš tranzistorių pereis į įsotinimo režimą. Šio tranzisto-

riaus kolektoriaus srovė, tekėdama antrojo tranzistoriaus bazės

grandine, atidarys jį, tuo padidindama pirmojo tranzistoriaus bazės

srovę. To pasekoje tranzistorių kolektorių srovės didės, kol abu

tranzistoriai pasieks įsotinimo režimą.

Įsijungus tranzistoriams, dinistorius atsidaro ir srovė 𝐼 bus ribo-

jama tik išorinės grandinės varža. Įtampos kritimas ant atviro dinis-

toriaus mažesnis nei 2V. Dinistoriaus VACh parodyta 2.3a pav., o

įjungimo valdymo impulsu schema 2.3b pav.

Dinistorių galima išjungti, sumažinus jo srovę iki 𝐼𝑖š𝑗𝑢𝑛 arba pa-

keitus anodo įtampos poliškumą. Įvairūs dinistoriaus išjungimo

būdai parodyti 2.4 pav. Pirmoje schemoje nutraukiama srovė dinis-

toriaus grandinėje. Antroje schemoje dinistoriaus įtampos kritimas

sumažinamas iki nulio. Trečioje schemoje dinistoriaus srovė suma-

žinama iki 𝐼𝑖š𝑗𝑢𝑛 , įjungus papildomą rezistorių 𝑅𝑝𝑎𝑝 . Ketvirtoje

schemoje, sujungus raktą 𝑆, dinistoriaus anodui kondensatoriumi 𝐶

pagalba paduodama priešingo poliškumo įtampa.

2.4 pav. Dinistoriaus jungimo schemos: nutraukiama grandinė (a), dinisto-

riaus šuntavimas (b), anodinės srovės sumažinimas (c), priešingo po-

liškumo įtampa (d): 𝑅𝑎𝑝𝑘 - apkrovos varža; 𝑅- papildoma varža; 𝐶-

kondensatorius; 𝑆- jungiklis

28

Tiristoriaus struktūra panaši į dinistoriaus, tik viena iš bazės sri-

čių padaryta valdoma. Jeigu į vieną iš bazių paduotume valdymo

srovę, tai atitinkamo tranzistoriaus perdavimo koeficientas padidės

ir tiristorius įsijungs.

Priklausomai nuo valdančiojo elektrodo (VE), tiristoriai skirs-

tomi į katodinio valdymo ir anodinio valdymo tiristorius. Šių VE

išdėstymas ir sąlyginiai tiristorių žymėjimai parodyti 2.5 pav.

Egzistuoja ir uždaromieji (užrakinamieji) tiristoriai, pasižymin-

tys tuo, kad, pajungus įtampą prie valdantįjį tiristoriaus elektrodą,

tiristorius užsidaro. Tokių tiristorių panaudojimas ribotas dėl to,

kad valdančiojo elektrodo srovė išjungimo metu artima pagrindinei

komutuojamai srovei.

Tiristoriaus jungimo schema ir voltamperinė charakteristika pa-

rodyta 2.6 pav. Skirtingai nuo dinistoriaus, tiristoriaus įsijungimo

įtampa keičiama reguliuojant valdančiojo elektrodo srovę. Didėjant

valdymo srovei, mažėja įsijungimo įtampa.

2.5 pav. Tiristorių su katodiniu (a) ir anodiniu (b) valdymu struktūra

ir grafiniai žymėjimai

2.6 pav. Tiristoriaus voltamperinė charakteristika (a) ir jungimo schema (b)

29

Tokiu būdu, tiristorius tolygus dinistoriui su valdoma įsijungi-

mo įtampa.

Po įsijungimo valdantysis elektrodas praranda valdymo savy-

bes, todėl juo išjungti tiristorių nebegalima. Tiristoriaus išjungimo

būdai tokie pat, kaip ir dinistoriaus.

Pagrindiniai statiniai dinistorių ir tiristorių parametrai:

leistina atbulinė įtampa 𝑈𝑎𝑡𝑏 ;

įtampos kritimas įjungtame prietaise 𝑈𝑘𝑟 , esant užduotai tie-

sioginei srovei;

leistina tiesioginė srovė 𝐼𝑡𝑠𝑔 .

Dinistoriai ir tiristoriai naudojami kaip elektroniniai raktai tiek

nuolatinių, tiek kintamų srovių elektrinių grandinių perjungimo

schemose.

Simistorius - tai simetrinis tiristorius, skirtas kintamosios srovės

grandinių komutavimui. Jis gali būti panaudojamas ir reversinių

lygintuvų sukūrimui ar kintamos srovės reguliatoriams. Simetrinio

tiristoriaus struktūra parodyta 2.7a pav., o jo grafinis žymėjimas -

2.7b pav. Puslaidininkinė simistoriaus struktūra turi penkis sluoks-

nius puslaidininkių su skirtingais laidumo tipais ir yra žymiai sudė-

tingesnė nei tiristoriaus. Simistoriaus VACh parodyta 2.7c pav.

Kaip matyti iš simistoriaus VACh, prietaisas įsijungia bet kuria

kryptimi, paduodant į valdantįjį elektrodą teigiamą valdymo im-

pulsą. Reikalavimai simistoriaus valdymo impulsui tokie pat kaip ir

tiristoriaus. Pagrindinės simistoriaus charakteristikos tokios pat

2.7 pav. Simistoriaus struktūra (a) ir grafinis žymėjimas

(b) ir voltamperinė charakteristika (c)

30

kaip ir tiristoriaus. Simistorių galima pakeisti dviem priešpriešiais -

lygiagrečiai sujungtais tiristoriais su bendru valdymo elektrodu.

Reguliuojami lygintuvai. Dėka galimybės valdyti įjungimo mo-

mentą, tiristoriai naudojami valdomų lygintuvų schemose.

Paprasčiausia reguliuojamo lygintuvo schema su vienu tiristo-

riumi parodyta 2.8a pav.

Tiristoriaus įjungimui būtina įvykdyti dvi sąlygas: tiristoriaus

anodo įtampa turi būti teigiama ir valdančiajam elektrodui turi būti

paduota teigiama įtampa, sukurianti atidarymo srovę. Pirmoji sąly-

ga taikoma įėjimo įtampos teigiamoms pusbangėms 𝑈įė (2.8b pav.), o

antros sąlygos įvykdymui tiristoriaus valdančiajam elektrodui pa-

duodamas valdantysis impulsas 𝑈𝑣𝑎𝑙 (2.8c pav.). Įjungus tiristorių,

valdantysis elektrodas praranda valdymo savybes, todėl tiristorius

išsijungs, kai momentinė anodo įtampa sumažės iki nulio.

Impulsų forma apkrovoje 𝑅𝑎𝑝𝑘 (be filtro) parodyta 2.8d pav. Ti-

ristoriaus įjungimo momentą galima keisti įėjimo įtampos teigiamo

pusperiodžio ribose, t.y. 0 <∝< 𝜋, kur ∝ - valdančiojo impulso

kampinis postūmis teigiamo pusperiodžio pradžios atžvilgiu, vadi-

2.8 pav. Reguliuojamo tiristorinio lygintuvo schema (a) ir įtampos diagrama

įėjime (b), valdymo elektrode (c) bei išėjime (d).

31

namas įjungimo kampu. Tokiu būdu, tiristoriaus įjungtos būsenos

trukmės išraiška yra:

𝑡į𝑗𝑢𝑛 =

𝑇

2 1 −

∝

𝜋 , (2.3)

kur T - įėjimo įtampos 𝑈įė virpesių periodas.

Tada vidutinė išlyginta įtampa 𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑣𝑖𝑑 apkrovoje lygi:

𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑣𝑖𝑑 =

1

2𝜋 𝑈įė

𝜋

𝛼𝑑 𝜔𝑡 =

𝑈𝑚

2𝜋 1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 . (2.4)

Jei tiristorius įsijungia, esant ∝= 0, tai vidutinė išlyginta įtampa

𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑣𝑖𝑑 apkrovoje bus maksimali, o jeigu ∝= 𝜋, tai įtampa

𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑣𝑖𝑑 = 0. Toks tiristoriaus valdymo būdas vadinamas faziniu.




laboratorinis modulis Lab2A tyrimui charakteristikų tiristo-

riaus KU112A ir valdomo lygintuvo, sukurto jo pagrindu.

4. DARBO UŽDUOTIS

Redaktoriumi MS Word paruoškite ataskaitos šabloną.

Pastatykite laboratorinį modulį Lab2A ant laboratorinės stoties

NI ELVIS II maketinės plokštės. Modulio išorinis vaizdas parody-

tas 2.9 pav.

Tiristoriaus ir valdomo lygintuvo charakteristikų tyrinėjimui

naudojama schema pavaizduota 2.10 pav.

2.9 pav. Tiristoriaus charakteristikų tyrimo modulio Lab2A išorinis vaizdas

32

Įkraukite ir paleiskite programą Lab-2.vi.




1 užduotis. Tiristoriaus VACh tyrimas

4.1.1. Nustatykite slankiojančio reguliatoriaus, esančio VP prieki-

niame valdymo lange, maitinimo šaltinio įtampą valdančio elektro-

do grandinėje 𝐸𝑣𝑎𝑙 apie 0,5V. Nuspauskite valdymo lange VP myg-

tuką „Matavimas“. Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys tiristo-


2.10 pav. Elektrinė jungimo schema, tiristoriaus VACh tyrimui

33

riaus anodinės srovės 𝐼𝑎 priklausomybės nuo anodo įtampos 𝑈𝑎

grafikas. Raudonos spalvos linijos rodo anodinės įtampos 𝑈𝑎 nuo

0V iki 10V monotoninio didėjimo režimą, o mėlynos spalvos linijos

- anodinės įtampos nuo 10V iki 0V monotoninio mažėjimo režimą,

esant pastoviai valdymo įtampai 𝐸𝑣𝑎𝑙 . Punktyrinių linijų atkarpos

atitinka šiuo VP nematuojamus VACh trūkius tiristoriaus

perjungimo momentais.

4.1.2. Palaipsniui mažindami valdančiojo elektrodo įtampą, kas-

kart nuspausdami mygtuką „Matavimas“ VACh sudarymui, nusta-

tykite ir užrašykite ataskaitoje mažiausią šaltinio 𝐸𝑣𝑎𝑙 .𝑚𝑖𝑛 valdymo

įtampą, prie kurios šio eksperimento sąlygomis įsijungia tiristorius.

Orientuodamiesi pagal skaitmeninių indikatorių priekiniame VP

valdymo lange parodymus, nustatykite ir užrašykite ataskaitoje

valdymo srovės 𝐼𝑣𝑎𝑙 matavimo rezultatus ir valdančiojo elektrodo

įtampas 𝑈𝑣𝑎𝑙 , atitinkančias duotą tiristoriaus darbo režimą.

Nukopijuokite grafiniame indikatoriuje gautą vaizdą į ataskai-

tos puslapį.

4.1.3. Nustatykite anodinės srovės 𝐼𝑎 ir anodo įtampos 𝑈𝑎 dydžius

tiristoriaus įjungimo momentu. Tam tikslui, slankiojančio reguliato-

riaus pagalba valdydami rodyklę VACh grafike, pastatykite ją nuo-


34

laidžioje kylančios VACh atkarpos dalyje prie įjungimo taško. Už-

rašykite ataskaitoje ampermetro 𝐼𝑎 .į𝑗𝑢𝑛 ir voltmetro 𝑈𝑎 .į𝑗𝑢𝑛 parody-

mus.

4.1.4. Nustatykite likutinę įtampą tiristoriuje. Tam tikslui slankio-

jančiu reguliatoriumi 𝐸𝑎 pastatykite rodyklę stačioje VACh atkar-

pos taške, atitinkančiame anodinei srovei 𝐼𝑎 = 10mA. Užrašykite

ataskaitoje voltmetro 𝑈𝑎 parodymus, atitinkančius likutinę įtampą

𝑈𝑎 .𝑙𝑖𝑘 .

4.1.5. Nustatykite tiristoriaus išjungimo srovę ir įtampą. Tam tiks-

lui slankiojančiu reguliatoriumi 𝐸𝑎 nustatykite rodyklę stačioje krin-

tančios VACh atkarpos dalyje prie išjungimo taško. Į ataskaitą įra-

šykite ampermetro 𝐼𝑎 parodymus, atitinkančius išjungimo srovę

𝐼𝑎 .𝑖š𝑗𝑢𝑛 , ir voltmetro 𝑈𝑎 parodymus, atitinkančius išjungimo įtampą

𝑈𝑎 .𝑖š𝑗𝑢𝑛 .

4.1.6. Palaipsniui didindami valdančiojo elektrodo įtampą ir,

spausdami mygtuką „Matavimas“ VACh sudarymui, nustatykite ir

užrašykite ataskaitoje įtampą valdymo šaltinio 𝐸𝑣𝑎𝑙 .𝑚𝑎𝑥 išėjime,

pradedant kuria tiristoriaus VACh nebelieka nuolaidžios atkarpos.

Taip pat nustatykite ir užrašykite ataskaitoje atitinkančius šį režimą

valdymo srovę 𝐼𝑣𝑎𝑙 ir valdančio elektrodo įtampą 𝑈𝑣𝑎𝑙 .

4.1.7. Nuspauskite priekiniame VP valdymo lange mygtuką „Per-


langas (2.12 pav.).

2 užduotis. Tiristoriaus statinių charakteristikų šeimos gavymas

4.2.1. Skaitmeniniais valdymo elementais, esančiais priekiniame

VP valdymo lange pagalba, valdymo šaltinio išėjime nustatykite

gautas užduotyje 1 mažiausią 𝐸𝑣𝑎𝑙 .𝑚𝑖𝑛 ir didžiausią 𝐸𝑣𝑎𝑙 .𝑚𝑎𝑥 įtam-

pos reikšmes. Nuspauskite mygtuką „Matavimas“. Grafiniame VP

indikatoriuje pasirodys tiristoriaus statinių charakteristikų šeimos

vaizdas, kurį sudaro anodinės srovės priklausomybė nuo anodo

įtampos, esant fiksuotiems valdančiojo elektrodo srovės dydžiams

𝐼𝑣𝑎𝑙 . Nustatyti dydžiai 𝐼𝑣𝑎𝑙 parodomi grafike lentelės pavidalu.

4.2.2. Nukopijuokite statinių charakteristikų šeimos vaizdą iš gra-

finio indikatoriaus į ataskaitos puslapį. MS Word priemonėmis

35

kiekvienoje kreivėje pažymėkite atitinkamas valdymo srovės

reikšmes 𝐼𝑣𝑎𝑙 .

4.2.3. Kiekvienai gautai charakteristikai tiristoriaus įjungimo mo-

mentu nustatykite anodo srovę 𝐼𝑎 .į𝑗𝑢𝑛 ir įtampą 𝑈𝑎 .į𝑗𝑢𝑛 . Tam tikslui

panaudokite horizontalią ir vertikalią vizirio linijas, perkeliamas

atitinkamais slankiojančiais reguliatoriais „Y“ ir „X“. Gautus rezul-

tatus užrašykite ataskaitoje.

4.2.4. Nuspauskite priekiniame valdymo lange VP mygtuką „Per-


langas (2.13 pav.).

3 užduotis. Valdomo vieno pusperiodžio lygintuvo tyrimas

4.3.1. Šios užduoties įvykdymui naudojamas harmoninis įėjimo

signalas. Valdymo elementais nustatykite įėjimo signalo paramet-

rus: dažnis maždaug 200Hz, amplitudė apie 9V. Valdymo schemos

slankiojančiu reguliatoriumi, nustatykite valdymo impulsų sulai-

kymą įėjimo signalo atžvilgiu, atitinkantį tiristoriaus įjungimo

kampą, lygų apie 90 laipsnių. Viršutiniame grafiniame indikatoriuje

galima matyti įėjimo signalo vaizdus (mėlyna spalva) ir valdymo

impulsų (raudona spalva), apatiniame - išėjimo įtampą prie apkro-


36

vos 𝑈𝑎𝑝𝑘 (mėlyna spalva) ir vidutinį tos įtampos lygį 𝑈𝑣𝑎𝑙 .𝑣𝑖𝑑 (rau-

dona spalva).

Nukopijuokite abiejų grafinių indikatorių parodymus į

ataskaitą.

4.3.2. Nustatykite tiristoriaus įjungimo kampo (∝𝑚𝑖𝑛 , ∝𝑚𝑎𝑥 ) kitimo

diapazoną, kai vidutinis apkrovimo įtampos dydis keičiamas nuo

maksimalaus iki minimalaus dydžio. Tam tikslui, slankiojančiu re-

guliatoriumi valdymo schemoje, tolygiai keiskite įjungimo kampą

nuo 0 iki 180 laipsnių, kontroliuodami apkrovos įtampos formą in-

dikatoriumi, o vidutinį įtampos dydį - pagal skaitmeninį indikato-

rių 𝑈𝑣𝑎𝑙 .𝑣𝑖𝑑 . Gautus įjungimo kampo ir vidutinius apkrovos įtampos

dydžius įrašykite į ataskaitą.

4.3.3. Nustatykite valdymo schemos reguliatoriumi paskutiniame

punkte gautą įjungimo kampą ∝𝑚𝑖𝑛 , prie kurio tiristorius visiškai

atidarytas esant teigiamoms įėjimo įtampos pusbangėms. Grafinio

indikatoriaus „Y“ vizyrinės linijos pagalba nustatykite momenti-

nius apkrovos įtampos dydžius, atitinkančius tiristoriaus įjungimo

𝑈𝑎𝑝𝑘 .į𝑗𝑢𝑛 ir išjungimo 𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑖š𝑗𝑢𝑛 momentus ir didžiausią momentinę

įtampą, esant apkrovai 𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑚𝑎𝑥 . Gautus duomenis surašykite į ata-

skaitą.

4.3.4. Palyginkite įtampą 𝑈𝑎𝑝𝑘 .į𝑗𝑢𝑛 su įtampa 𝑈𝑎 .į𝑗𝑢𝑛 , gauta 4.1.3 p.,

o įtampą 𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑖š𝑗𝑢 𝑛 su įtampa 𝑈𝑎 .𝑖š𝑗𝑢𝑛 , gauta 4.1.5 p.

4.3.5. Išskaičiuokite skirtumą tarp įėjimo signalo amplitudės ir di-

džiausios momentinės įtampos prie apkrovos ∆𝑈 = 𝑈įė.𝑚 −

𝑈𝑎𝑝𝑘 .𝑚𝑎𝑥 . Palyginkite įtampą ∆𝑈 su įtampa 𝑈𝑎 .𝑙𝑖𝑘 , gauta 4.1.4 p.




Kokie puslaidininkiniai prietaisai vadinami tiristoriais?

Pavaizduokite dinistoriaus struktūrą.

Nupieškite tranzistorinę dinistoriaus pakeitimo schemą.

Kokia dinistoriaus įjungimo sąlyga?

Kokiais būdais galima išjungti dinistorių?

37

Kuo skiriasi tiristoriaus ir dinistoriaus konstrukcijos?

Kokios yra tiristorių rūšys?

Kokios tiristoriaus VACh ypatybės, lyginant su dinistoriu-

mi?

Ar skiriasi tiristorių ir dinistorių įjungimo būdai?

Kokios simistoriaus konstrukcijos ir veikimo principo ypaty-

bės?

Kaip atrodo simistoriaus VACh?

Koks valdomo lygintuvo darbo principas?

Kokiu tikslumu nustatyti tiristoriaus parametrai? Nuo ko ga-

li priklausyti gautų rezultatų kokybė?


TUNELINIO DIODO VOLTAMPERINĖS CHARAKTERISTI-

KOS TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

tunelinio diodo voltamperinės charakteristikos (VACh) ga-

vimas;

tunelinio diodo VACh matematinio modelio sudarymas;

tunelinio diodo elektrinių parametrų nustatymas.

2. TEORINĖ DALIS

tunelinio diodo [1] sandara ir darbo ypatybės;

tunelinio diodo [1] VACh rūšys;

daugianarių regresinių modelių sukūrimo metodai *11];

regresinių modelių kokybės tikrinimo metodai.

Tunelinis diodas (TD) - tai p-n sandūra, tarp labai stipriai prie-

maišomis legiruotų p ir n sričių. Didelė priemaišų koncentracija su-

teikia tuneliniam diodui ypatingų savybių, pasireiškiančių neigia-

mos varžos atkarpa tunelinio diodo VACh. Ši atkarpa gerai matoma

(nuo taško 1 iki taško 2) tipinėje TD VACh, pavaizduotoje 3.1 pav.

38

TD savybių apibūdinimui naudojama eilė nuolatinės srovės

charakteristikų. Svarbiausios jų yra: viršūnės įtampa (𝑈𝑣), viršūnės

srovė (𝐼𝑣), įdubos įtampa (𝑈į), įdubos srovė (𝐼į), parametras

𝐵 = 𝐼𝑣 𝐼į (viršūnės srovės santykis su įdubos srove) ir įtampa,

prie kurios srovė standartinėje charakteristikos atkarpoje sutampa

su viršūnės srove (𝑈𝑓 ).

Šios charakteristikos priklauso nuo medžiagos, iš kurios paga-

mintas diodas (3.1 lentelė).

3.1 lentelė

Tunelinių diodų tipinės charakteristikos

Medžiaga 𝑰𝒗, 𝐦𝐀 𝑰į , 𝐦𝐀 𝑼𝒗 , 𝐦𝐕 𝑼į , 𝐦𝐕 𝑼𝒇 , 𝐦𝐕 𝑩

Ge 1-30 0,1-5 50-100 270-380 450-550 5-8

GaAs 1-50 0,2-5 100-200 450-600 1000-1100 5-15

GaSb 1-50 0,06-5 30-80 220-350 550-650 5-10

VACh gavimui naudojama elektrinė TD jungimo schema, pa-

rodyta 3.2 pav. Įtampa, tiesiškai kintanti maždaug nuo −0,15V iki

+1,4V, paduodama iš VP išėjimo į tyrinėjamą schemą, tuo pačiu VP

matuojamas įtampos kritimas matuojamoje varžoje ir TD p-n san-

dūroje. Toliau gauti duomenys pateikiami grafiniam VP indikato-

riui ir apdorojami.

Įtampos 𝑈𝑅 kritimas matuojamoje varžoje 𝑅 tiesiogiai propor-

cingas srovei per TD, todėl, atidėdami grafinio indikatoriaus verti-

kalėje įtampą 𝑈𝑅 𝑅 , o horizontalėje - įtampą 𝑈𝑅 , ekrane matome

3.1 pav. Tunelinio diodo voltamperinė charakteristika (VACh)

39

VACh vaizdą. Darbe naudojamas VP turi jautrumo charakteristi-

kos apie 0,003mV slenkstį, todėl būtina pasirinkti tokią 𝑅 varžą, kad

tekant viršūnės srovei, įtampos kritimas ant jos būtų apie 1mV. La-

boratoriniame stende sumontuotas GaAs TD, kurio viršūnės srovė

yra tarp 1mA ir 10mA, todėl 𝑅 parinkta lygi 1Ω.

Elektrinių TD nuolatinės srovės charakteristikų apskaičiavimui

galima panaudoti matematinį VACh modelį, o taip pat grafinį arba

lentelinį VACh pateikimą.

Matematinio santykio tarp srovės ir įtampos nustatymui stačia-

kampėje koordinačių sistemoje reikia gauti duomenų

𝑥1 , 𝑦1 , 𝑥2 , 𝑦2 , … , 𝑥𝑛 , 𝑦𝑛 rinkinį. Tokio komplekto gavimui labo-

ratoriniame darbe naudojamas LabView VP. Sujungus gautus taškus

kreive, galima akivaizdžiai pamatyti VACh. Esminis dalykas yra

tokios kreivės gavimas, kuri geriausiai atitiktų gautus duomenis.

Kadangi eksperimento metu galima laisvai keisti įtampą 𝑈𝐷 , tai ji

bus nepriklausomas kintamasis (𝑥). Atitinkamai srovė 𝐼𝐷 tampa

priklausomu kintamuoju (𝑦). Matematinės priklausomybės sura-

dimas plačiam užduočių ratui ir tiksliausios eksperimentą atitin-

kančios kreivės, suvedamo į daugianario 𝑘 laipsnio suradimą:

𝑦 = 𝑏 0 + 𝑏 1 𝑥 + 𝑏 2 𝑥2 + ⋯ + 𝑏 𝑘 𝑥𝑘 , (3.1)

kur 𝑏 𝑗 pastovūs koeficientai.

Pritaikant nagrinėjamai užduočiai, šią lygtį vadina daugianare

(polinomine) regresija, o koeficientus 𝑏 𝑗 - regresijos koeficientais.

Regresijos koeficientų nustatymui laboratoriniame darbe nau-

dojama speciali procedūra, vykdoma LabView aplinkoje. Skaičiavi-

3.2 pav. Tunelinio diodo jungimo su VP schema

40

mai pradedami pačios paprasčiausios struktūros modeliui, ir, eks-

perimentatoriaus nuomone, gali suderinti priklausomos kintamo-

sios 𝑦 𝑖 , išmatuotos eksperimento metu, reikšmes su išskaičiuoto-

mis pagal regresijos lygtį 𝑕 𝑖 . Modelio kokybės įvertinimui naudo-

jama speciali statistinė procedūra, vadinama modelio adekvatumo pa-

tikrinimu. Modelis adekvatus, jeigu dispersijos įvertinimas regresijos

𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 atžvilgiu ir nepriklausomas nuo jos dispersijos įvertinimas

atsitiktinių trikdžių 𝑆𝑆 𝑎 , darančių poveikį matavimo rezultatams,

statistiškai neatskiriami vienas nuo kito. Reikšmės 𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 įvertini-

mas vykdomas sudarant regresinį modelį pagal formulę:

𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 = 𝑦 𝑖 −𝑕 𝑖

2𝑁𝑖=1

𝜈(𝑙𝑖𝑘 ), (3.2)

kur 𝑁 – bendras stebėjimų skaičius;

𝜈 𝑙𝑖𝑘 = 𝑁 − 𝑘 − 1 - likutinės kvadratų sumos laisvės laipsnių skai-

čius;

𝑦 𝑖 - 𝑖-o stebėjimo rezultatas;

𝑕 𝑖 - atgarsio reikšmė, paskaičiuota pagal regresijos formulę. Reikšmės 𝑆𝑆 𝑎 vertinimas vykdomas pagal specialios nepri-

klausomų stebėjimų serijos rezultatus pagal formulę:

𝑆𝑆 𝑎 = 𝑦 𝑀 −𝑦 𝑗

2𝑛𝑗 =1

𝑛−1, (3.3)

kur 𝑦 𝑗 - 𝑗-o stebėjimo rezultatas;

𝑦 𝑀 =1

𝑁 𝑦(𝑗)𝑛

𝑗=1 - vidutinė stebėjimo rezultatų reikšmė;

𝑛 - bendras nepriklausomų stebėjimų skaičius. Ši stebėjimų serija vykdoma nekeičiant sąlygų ir esant fiksuotai

nepriklausomos kintamosios 𝑥 reikšmei, todėl matavimo rezultatus

𝑦 𝑗 veikia tik atsitiktiniai trikdžiai. Atliekant nepriklausomų stebė-

jimų seriją, bandymų skaičių 𝑛 ir kintamosios 𝑥 reikšmę parenka

eksperimentatorius. Jeigu dydžio 𝑦 𝑗 pasiskirstymo dėsnis numa-

tomas normalus, tai užtenka dažniausiai 10 - 15 bandymų.

41

Iš tikrųjų, adekvatumo patikrinimo procedūra apima dispersi-

nio santykio 𝐹 = 𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 𝑆𝑆 𝑎 skaičiavimą ir gauto rezultato pa-

lyginimą su 𝐹𝑡 reikšme Fišerio paskirstymo funkcijos lentelėje.

Dydis 𝐹 turi Fišerio paskirstymą su 𝜈 𝑙𝑖𝑘 = 𝑁 − 𝑘 − 1 ir

𝜈 𝑎 = 𝑛 − 1 laisvės laipsniais. Užduoto lygio reikšmingumo 𝛼 iš

Fišerio paskirstymo lentelės su 𝜈 𝑙𝑖𝑘 ir 𝜈 𝑎 laisvės laipsniais ran-

damas dydis 𝐹𝑡 = 𝐹 𝛼, 𝜈 𝑙𝑖𝑘 , 𝜈 𝑎 . Jeigu 𝐹 < 𝐹𝑡 , tai hipotezė apie

statistinę lygybę 𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 ir 𝑆𝑆 𝑎 neatmetama ir modelis pripažįs-

tamas adekvačiu. Jeigu 𝐹 ≥ 𝐹𝑡 modelis laikomas neadvekačiu.

Ši procedūra gali būti atlikta, jeigu 𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 > 𝑆𝑆 𝑎 , priešingu

atveju išskaičiuojamas atbulinis dispersinis santykis :

𝐹 = 𝑆𝑆 𝑎 𝑆𝑆 𝑙𝑖𝑘 , (3.4)

o 𝐹𝑡 suradimui naudojama Fišerio paskirstymo lentelė su 𝜈 𝑙𝑖𝑘 =

𝑁 − 𝑘 − 1 ir 𝜈 𝑎 = 𝑛 − 1 laisvės laipsniais. Tokiu atveju išvados pa-

daromos, analogiškos ankstesnėms.

Paprastai, technikoje eksperimentinių tyrinėjimų reikšmingumo

lygis 𝛼 priimamas lygus 0,05.

Jeigu pirmasis pasirinktas modelis pasirodytų neadekvatus,

modelio struktūra daroma sudėtingesnė, daugianario laipsnį padi-

dinant vienetu. Duomenys iš naujo apdorojami, gaunami nauji re-

gresijos koeficientų vertinimai ir vėl tikrinama hipotezė apie adek-

vatumą. Ši procedūra kartojama iki tol, kol nebus gautas patenki-

namas suderinamumas tarp eksperimento duomenų ir skaičiavimo

pagal modelį rezultatų.

Vietinių ekstremumų (taškai 1 ir 2, 3.1 pav.) koordinačių gavi-

mui adekvatus modelis analizuojamas standartiniais matematiniais

metodais.

Reikšmė 𝑈 3 randama iš lygties:

𝐼 1 − 𝑏 0 − 𝑏 1 𝑈 − … − 𝑏 𝑘 𝑈𝑘 = 0, (3.5)

42

kuri duotame dydžio 𝑈 kitimo diapazone turi 2 tikrąsias šaknis

(taškai 1 ir 3, 3.1 pav.). Šias operacijas patogu atlikti kompiuteriu,

pasinaudojant vienu iš standartinių paketų duomenų matemati-

niam apdorojimui.




laboratorinis modulis Lab3A, skirtas tunelinio diodo AI101

tipo VACh tyrimui.

4. DARBO UŽDUOTIS

Redaktoriumi MS Word paruoškite ataskaitos šabloną.


NI ELVIS II maketinės plokštės. Išorinis modulio vaizdas parody-

tas 3.3 pav.

Tunelinio diodo VACh tyrinėjimui naudojama schema, parody-

ta 3.4 pav.




vaizdas (3.5 pav.).

1 užduotis. Tunelinio diodo VACh stebėjimas

VP leidžia gauti visą eilę priklausomybių tarp TD įtampos ir

srovės per jį. Gautus duomenis VP leidžia įrašyti į individualų nau-

3.3 pav. Modulio Lab3A, skirto tune-

linio diodo charakteristikų

tyrinėjimui, išorinis vaizdas

3.4 pav. Tunelinio diodo elektrinė

jungimo schema charak-

teristikų tyrimui

43

dotojo failą. Kiekvienas studentas gali gauti savo individualų eks-

perimentinių duomenų rinkinį, parinkdami įtampos kitimo diapa-

zoną ir eksperimentinių VACh taškų skaičių.

Paruoškite VP matavimams, tam tikslui nustatydami atitinka-

muose langeliuose VP priekiniame valdymo lange įtampos kitimo

diapazoną ir eksperimentinių taškų skaičių. Pasirinkdami paramet-

rus, atkreipkite dėmesį į tai, kad apatinė nustatomos įtampos riba

neturi būti mažesnė −0,1V, o viršutinė - daugiau +1,4V. Rekomen-

duojamas eksperimentinių taškų skaičius yra tarp 80 ir 120.

4.1.1. Atlikite matavimus, nuspausdami mygtuką „Sudaryti

VACh“. VP ekrane pasirodys eksperimentinių taškų rinkinys.

Nukopijuokite gautą grafiką į ataskaitos puslapį.

Atidžiai išnagrinėkite gautą ekrane vaizdą, kad įsitikintumėte,

jog eksperimentinė medžiaga tinka tolimesniam apdorojimui.

Duomenys turi duoti galimybę išskirti du charakteringus taškus

(3.1 pav.) tunelinio diodo voltamperinėje charakteristikoje. Jeigu

eksperimentiniai duomenys neduoda tokios galimybės, pakartokite


44

matavimus, pasirinkdami kitą įtampos kitimo sritį ir/arba kitą taš-

kų skaičių.

Jeigu surinkti eksperimentiniai duomenys leidžia gauti tuneli-

nio diodo VACh, panašią į tipinę, išsaugokite duomenis. Tam tiks-

lui priekinio VP valdymo lange įvedimo langelyje nurodykite iš-

saugomo failo pilną pavadinimą ir nuspauskite mygtuką „Išsaugo-

ti“.



langas (3.6 pav.).

2 užduotis. Tunelinio diodo VACh matematinio modelio sudarymas

Šiame skyriuje atliekamas daugianario regresinio modelio su-

darymas, panaudojant standartinę linijinės regresijos koeficientų

skaičiavimo procedūrą ir gauto modelio kokybės statistinį vertini-

mą.

Priekinio VP valdymo lange nurodykite daugianario laipsnį,

reikalingą modelio sudarymui (tam, kad daugianaris turėtų du vie-


45

tinius maksimumus, reikia pradėti nuo laipsnio, ne žemesnio kaip

trečias).

Pasirinkite nepriklausomų tyrimų, skirtų triukšmų savybių

įvertinimui, skaičių. Tyrimų skaičius turėtų būti ne mažesnis už 10.

Užfiksuokite įtampą diodo VACh kritimo srityje (nuo 0,2V iki 0,4V).

Užduokite reikšmingumo lygį ir laisvės laipsnių skaičių Fišerio

paskirstymo parametro 𝐹 išskaičiavimui.

4.2.1. Nuspauskite mygtuką „Sukurti modelį“ priekiniame val-

dymo lange. Atitinkamas grafikas pasirodys ekrane ištisinės raudo-

nos linijos pavidalu. „Vizualiai“ įvertinkite eksperimentinių duo-

menų ir gauto VACh matematinio modelio atitikimą. Vaizdą iš gra-

finio VP indikatoriaus nukopijuokite į buferį ir po to patalpinkite į

ataskaitos puslapį. Apskaičiuota ir lentelinė parametro 𝐹 reikšmės

nustatomos ir parodomos VP ekrane automatiškai.

Patikrinkite hipotezę apie gauto modelio adekvatumą. Tam

tikslui palyginkite apskaičiuotą (𝑓) ir lentelinę (𝐹) Fišerio paskirs-

tymo parametro reikšmes, kurios pasirodo atitinkamuose pagrindi-

nio VP valdymo lange langeliuose.


46

Tuo atveju, jei hipotezė apie adekvatumą nepasitvirtina, dau-

gianario laipsnį padidinkite vienetu ir pakartokite 4.2.1 punktą.

Kartokite šią procedūrą tol, kol nepasieksite reikiamų rezultatų

(kaip taisyklė, modelis adekvatus esant 𝑘 = 5 ÷ 6).



langas (3.7 pav.).

3 užduotis. Rezultatų išsaugojimas

Pagrindiniame VP valdymo lange parodyti eksperimentinių

duomenų apdorojimo ir matematinės modelio analizės rezultatai.

Įvertinkite savarankiškai arba su dėstytojo pagalba gautus

duomenis. Jei jie patenkinami, išsaugokite darbo rezultatus.

Įveskite originalius failų pavadinimus paskaičiuotų modelio

koeficientų reikšmių ir statistinių parametrų išsaugojimui.

4.3.1. Nuspauskite priekiniame VP valdymo lange mygtuką „Iš-

saugoti“.


47



langas (3.8 pav.).

4 užduotis. Tunelinio diodo elektrinių parametrų nustatymas

Elektriniai tunelinio diodo parametrai VP nustatomi automatiš-

kai kaip matematinės modelio analizės rezultatas.

Grafikas parodo eksperimentinę priklausomybę ir matematinį

modelį. Punktyrinės vizyro linijos pažymi charakteringus VACh

taškus, atitinkančius 3.1 pav. Nukopijuokite VACh vaizdą iš grafi-

nio indikatoriaus į keitimo buferį, o po to patalpinkite jį ataskaitos

puslapyje.

Ekrano dešinėje parodomi šie tunelinio diodo elektriniai para-

metrai:

viršūnės įtampa 𝑈𝑣 ;

viršūnės srovė 𝐼𝑣;

įdubos įtampa 𝑈į;

įdubos srovė 𝐼į;

viršūnės/įdubos srovių santykis (𝐼𝑣 𝐼į );

įtampa, kuriai esant antros atšakos srovė lygi viršūnės srovei

𝑈𝑓𝑣 ;

įtampų skirtumas 𝑈𝑓𝑣 -𝑈𝑣 .

Surašykite minėtų parametrų reikšmes į ataskaitą.

Išjunkite VP, nuspausdami mygtuką „Darbo pabaiga“.


Kas yra tunelinis efektas?

Kokios tunelinio diodo struktūros ypatybės, palyginus su

lygintuviniu diodu?

Kuo skiriasi tunelinio ir lygintuvinio diodų voltamperinės

charakteristikos?

Kuri TD VACh atkarpa yra darbinė?

Išvardinkite pagrindinius TD elektrinius parametrus.

Kokius elektroninius prietaisus galima sukurti tunelinio

diodo pagrindu?

48

Kaip teisingai parinkti regresijos parametrus?

Kaip įvertinti gautos VACh kokybę?

Paaiškinkite, kokių pagrindu parenkami TD įjungimo elek-

trinės schemos parametrai?

Kokiu tikslumu darbe nustatyti tunelinio diodo parametrai?

Nuo ko gali priklausyti gautų rezultatų kokybė?


DVIPOLIO TRANZISTORIAUS CHARAKTERISTIKŲ TYRI-

MAS

1. DARBO TIKSLAS

nuolatinės srovės tranzistoriaus perdavimo koeficiento ma-

tavimas;

tranzistoriaus įėjimo charakteristikos nustatymas schemoje

su bendru emiteriu;

tranzistoriaus išėjimo charakteristikų šeimos matavimas

schemoje su bendru emiteriu;

tranzistorinio laipsnio su bendru emiteriu darbo taško nusta-

tymas.

2. TEORINĖ DALIS

dvipolio tranzistoriaus sandara ir veikimo principas [1, 2, 3];

pagrindinės dvipolio tranzistoriaus charakteristikos *1, 3];

dvipolio tranzistoriaus įjungimo schemos ir jo darbo režimai

[1, 3];

tranzistoriaus darbo ypatybės mažo signalo režime [1, 3].

Puslaidininkinis prietaisas, turintis tris elektrodus ir dvi tarpu-

savy surištas p-n sandūras, vadinamas dvipoliu tranzistoriumi. Pri-

klausomai nuo p-n įvairių tipų sandūrų nuoseklumo kaitos skiriami

49

p-n-p tranzistoriai ir n-p-n tranzistoriai. Jų sąlyginiai žymėjimai ir

sandara parodyta 4.1 pav.

Dvipoliai tranzistoriai dažniausiai gaminami iš silicio, germa-

nio ar galio arsenido. Pagal gamybos technologiją jie skirstomi į ly-

dytinius, difuzinius ir epitaksinius.

Dvipoliai tranzistoriai dažniausiai naudojami stiprintuvų, ge-

neratorių ir elektrinių signalų keitiklių schemose plačiame dažnių

diapazone (nuo nuolatinės srovės iki dešimties gigahercų) ir nuo

dešimčių milivatų iki šimtų vatų galingumo diapazone. Pagal tai

dvipoliai tranzistoriai skirstomi į grupes pagal dažnį (žemo dažnio -

iki 3MHz; vidutinio dažnio - nuo 3MHz iki 30MHz; aukšto dažnio -

nuo 30MHz iki 300MHz; superaukšto dažnio - virš 300MHz) ir pa-

gal galingumą (mažo galingumo - iki 0,3W; vidutinio galingumo -

nuo 0,3W iki 1,5W; didelio galingumo - daugiau 1,5W).

Lavininiai tranzistoriai yra dvipolių tranzistorių rūšis, skirta

sudaryti galingiems nanosekundiniams impulsams.

Kita dvipolių tranzistorių rūšis yra dviejų emiterių moduliato-

riniai tranzistoriai, kuriuose konstruktyviai sujungtos dvi tranzisto-

rinės struktūros.

Plačiai paplito sudėtiniai dvipoliai tranzistoriai (Darlingtono

tranzistoriai), pasižymintys labai dideliu srovės perdavimo koefi-

cientu.

4.1 pav. p-n-p (a, b) ir n-p-n (c, d) tipų tranzistorių sandara ir jų

sutartiniai žymėjimai

50

Priklausomai nuo įtampos, paduodamos į tranzistoriaus elek-

trodus, poliaus, skiriami šie jo darbo režimai: tiesinis (stiprinimo),

įsotinimo, nukirtimo ir inversinis.

Tiesiname režime prie dvipolio tranzistoriaus emiterio sandū-

ros įtampa prijungiama tiesiogine kryptimi, o kolektoriaus - atbuli-

ne. Įsotinimo režime abi sandūros įtampa prijungiama tiesioginia-

me kryptimi, o nukirtimo režime - abi sandūros įtampa prijungiama

atbuline kryptimi. Ir, pagaliau, inversiniame režime kolektoriaus

sandūros įtampa prijungiama tiesioginiame kryptimi, o emiterio -

atbuline. Be išvardintų režimų galimas dar vienas režimas, avarinis,

tai pramušimo režimas.

Dvipolio tranzistoriaus darbo principas pagrįstas galimybe val-

dyti elektrodų sroves keičiant įtampas, prijungtos prie elektronines

- skylines sandūras. Tiesiname režime, kai sandūra bazė - emiteris

atidaryta dėl prijungtos prie ją įtampos 𝑈𝐵𝐸 , per ją prateka bazės

srovė 𝐼𝐵. Bazės srovės pratekėjimas sukelia krūvių injekciją iš kolek-

toriaus srities į bazės sritį, o kolektoriaus srovė išreiškiama formule:

𝐼𝐾 = 𝛽𝐷𝐶𝐼𝐵 , (4.1)

kur 𝛽𝐷𝐶1 - statinis bazės srovės perdavimo koeficientas.

1 AC – kintamoji srovė (Alternating Current);

DC – pastovioji srovė (Direct Current).

4.2 pav. Dvipolio tranzistoriaus įėjimo (a) ir išėjimo (b) VACh

51

Tiesioginis įtampos kritimas 𝑈𝐵𝐸 emiterio sandūroje susietas su

kolektoriaus srove Eberso - Molo lygtimi:

𝐼𝐾 = 𝐼𝐾𝐵.𝑎 𝑒𝑈𝐵𝐸 𝜑𝑇 − 1 , (4.2)

kur 𝐼𝐾𝐵 .𝑎 - kolektoriaus sandūros atbulinė srovė, o 𝜑𝑇 - temperatū-

rinis potencialas, kuris prie temperatūros 𝑇 = 300K siliciui lygus

maždaug 25mV.

Iš formulės (4.2) matyti, kad, prie emiterio sandūros prijungus

įtampą tiesiogine kryptimi, ir kai 𝑈𝐵𝐸 > 𝜑𝑇 , kolektoriaus srovė, au-

gant įtampai 𝑈𝐵𝐸 , didėja eksponentiniu dėsniu:

𝐼𝐾 ≈ 𝐼𝐾𝐵.𝑎𝑒𝑈𝐵𝐸 𝜑𝑇 , (4.3)

kur 𝑈𝐵𝐸 < 𝜓𝑘 - kontaktinis potencialų skirtumas.

Svarbiausios tranzistoriaus charakteristikos yra jo įėjimo ir iš-

ėjimo voltamperinės charakteristikos. Dvipolio tranzistoriaus tipi-

nės VACh parodytos 4.2 pav.

Be VACh, dar nagrinėjami statinis srovės perdavimo koeficien-

tas, srovės perdavimo koeficientas, diferencialinė įėjimo varža. Šių

charakteristikų reikšmė priklauso nuo tranzistoriaus įjungimo

schemos.

4.3 pav. parodyta dvipolio tranzistoriaus įjungimo schema su n-

p-n tipo laidumu, naudojant bendrą emiterį. Šiai schemai galioja

toks srovių sąryšis:

4.3 pav. Dvipolio tranzistoriaus bendro emiterio įjungimo schema

52

𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐾 , (4.4)

kur 𝐼𝐸 , 𝐼𝐵 , 𝐼𝐾 - srovės stiprumas atitinkamai emiterio, bazės ir kolek-

toriaus grandinėse.

Išnagrinėkime pagrindines dvipolio tranzistoriaus charakteris-

tikas.

Statinis srovės perdavimo koeficientas 𝛽𝐷𝐶 išreiškiamas kaip kolek-

toriaus srovės 𝐼𝐾 santykis su bazės srove 𝐼𝐵:

𝛽𝐷𝐶 =𝐼𝐾

𝐼𝐵, (4.5)

Srovės perdavimo koeficientas 𝛽𝐴𝐶 nustatomas kolektoriaus srovės

pokyčio ∆𝐼𝐾 santykiu su jį iššaukusiu bazės srovės pokyčiu ∆𝐼𝐵:

𝛽𝐴𝐶 =∆𝐼𝐾

∆𝐼𝐵, (4.6)

Diferencialinė tranzistoriaus įėjimo varža 𝑟𝑖 schemoje su bendru

emiteriu nustatoma esant fiksuotai kolektoriaus - emiterio įtampai.

Ji surandama kaip bazės - emiterio įtampos pokyčio ir jo iššaukto

bazės srovės pokyčio santykis:

𝑟𝑖 =∆𝑈𝐵𝐸

∆𝐼𝐵=

𝑈𝐵𝐸 2−𝑈𝐵𝐸 1

𝐼𝐵2−𝐼𝐵1, (4.7)

Panaudojant anksčiau gautus tranzistoriaus parametrus, dife-

rencialinę įėjimo varžą 𝑟𝑖 galima paskaičiuoti pagal formulę:

𝑟𝑖 = 𝑟𝐵 + 𝛽𝐴𝐶𝑟𝐸 , (4.8)

kur 𝑟𝐵 - bazės srities tūrinė varža, 𝑟𝐸 - sandūros bazė - emiteris dife-

rencialinė varža, nustatyta pagal lygtį: 𝑟𝐸 = 25 𝐼𝐸 , čia 𝐼𝐸 - nuolati-

nė emiterio srovė miliamperais.

Pirmasis dėmuo lygtyje (4.8) žymiai mažesnis už antrąjį, todėl

jo galima nepaisyti. Tada:

53

𝑟𝑖 ≈ 𝛽𝐴𝐶𝑟𝐸 . (4.9)

Dvipoliai tranzistoriai dažniausiai panaudojami stiprinimo

laipsniuose. 4.4 pav. parodytas tipinis tranzistorinis bendro emiterio

laipsnis. Dvipolio tranzistoriaus darbo režimas tokiuose laipsniuose

apibrėžiamas bazės srovės dydžiu. Kad bazės srovė būtų stabili,

bazė sujungiama su įtampos šaltiniu 𝐸𝐵 per didelę varžą 𝑅𝐵 .

Tranzistorinio laipsnio darbo režimo nustatymui patariama nu-

brėžti apkrovos liniją tranzistoriaus išėjimo charakteristikoje. Šis

metodas leidžia apibūdinti tranzistoriaus veikimą visuose pagrin-

diniuose darbo režimuose: įsotinimo, stiprinimo ir nukirtimo.

Įsotinimo režime bazės srovė nevaldo kolektoriaus srovės. To-

kia situacija susidaro kai 𝛽𝐷𝐶𝐼𝐵 > 𝐼𝐾𝑝 , kur 𝐼𝐾𝑝 - kolektoriaus įsoti-

nimo srovė. Šios srovės stiprį apsprendžia varža 𝑅𝐾 kolektoriaus

grandinėje ir maitinimo šaltinio įtampa 𝐸𝐾 :

𝐼𝐾𝑝 ≈𝐸𝐾

𝑅𝐾. (4.10)

Įsotinimo režimas charakterizuojamas mažu kolektoriaus - emi-

terio įtampos kritimu (apie 0,1V). Tranzistorius įsotinimo režime

dirbs, jeigu per tranzistoriaus bazę tekės srovė, didesnė už bazės

įsotinimo srovę 𝐼𝐵𝑝 :

𝐼𝐵𝑝 =𝐼𝐾𝑝

𝛽𝐷𝐶. (4.11)

4.4 pav. Darbo taško nustatymas parenkant bazės srovę

54

Tam, kad bazės srovė būtų lygi įsotinimo srovei, rezistoriaus

𝑅𝐵 varžą reikia parinkti, lygią

𝑅𝐵 = 𝑅𝐵𝑝 =𝐸𝐵

𝐼𝐵𝑝. (4.12)

Stiprinimo režime kolektoriaus srovė yra mažesnė už įsotinimo

srovę, ir jai apskaičiuoti galima pasinaudoti kolektoriaus apkrovos

linijos lygtimi:

𝐼𝐾 =𝐸𝐾−𝑈𝐾𝐸

𝑅𝐾. (4.13)

Tranzistorinio laipsnio darbo taškas

Tranzistorinio laipsnio darbo taškas statiniame režime nusta-

tomas bazės srove ir kolektoriaus įtampa.

Tranzistoriaus bazės srovė schemoje (4.4 pav.) nustatoma kaip

srovė per bazės varžą grandinėje 𝑅𝐵 :

𝐼𝐵 =𝐸𝐵−𝑈𝐵𝐸

𝑅𝐵. (4.14)

Ji gali būti nustatoma grafiškai kaip tranzistoriaus įėjimo VACh

ir bazės apkrovos linijos susikirtimo taškas (taškas 1 4.5a pav.).

Kolektoriaus srovė grafiškai nustatoma kaip kolektoriaus ap-

krovos linijos ir tranzistoriaus išėjimo charakteristikos susikirtimas

(taškas 1 4.5b pav.).

Kolektoriaus srovę galima apskaičiuoti pagal formulę:

4.5 pav. Tranzistoriaus darbo taško nustatymas pagal įėjimo (a) ir

išėjimo (b) VACh

55

𝐼𝐾 = 𝛽𝐷𝐶𝐼𝐵 . (4.15)

Įtampa kolektorius - emiteris nustatoma iš kolektoriaus apkro-

vos linijos lygtimi:

𝑈𝐾𝐸 = 𝐸𝐾 − 𝐼𝐾𝑅𝐾 . (4.16)

Nukirtimo režime kolektoriaus srovė lygi nuliui ir neiššaukia

rezistoriuje 𝑅𝐾 įtampos kritimo. Vadinasi, įtampa 𝑈𝐾𝐸 maksimali ir

lygi maitinimo šaltinio įtampai 𝐸𝐾 . Šis režimas atitinka tašką 2 4.5b

pav.

Tranzistorinio laipsnio veikimas mažo signalo režime

Tranzistorinio laipsnio darbas mažo signalo režime užtikrina

didžiausią įėjimo signalo sustiprinimą, esant mažiausiems iškrai-

pymams. Šis režimas charakterizuojamas tuo, kad prie bet kokių

įėjimo signalo reikšmių tranzistoriaus darbo taškas neišeina iš tesi-

nės srities.

Tranzistoriniame laipsnyje, dirbančiame mažo signalo režime,

apskaičiuojamos nuolatinės ir kintamosios srovių ir įtampų sudėti-

nės dalys. Nuolatinių sudedamųjų dalių apskaičiavimas apspren-

džia tranzistorinio kaskado darbo tašką (statinis režimas). Kintamų

sudėtinių dalių apskaičiavimas - tai tranzistorinio laipsnio stiprini-

mo savybės darbo taške.

Įtampos stiprinimo koeficientas yra išėjimo ir įėjimo harmoninių

įtampų amplitudžių santykis:

𝐾𝑠 =𝑈𝑖š.𝑚

𝑈įė.𝑚. (4.17)

Įtampos stiprinimo koeficientas schemoje su bendru emiteriu

apytikriai lygus kolektoriaus grandinės varžos 𝑟𝐾 santykis su varža

𝑟𝐸 emiterio grandinėje:

𝐾𝑠 =𝑟𝐾

𝑟𝐸. (4.18)

56

Kur varža 𝑟𝐾 yra lygiagrečiai sujungtų kolektoriaus varžos 𝑅𝐾

ir apkrovos varžos 𝑅𝑎𝑝𝑘 atstojamoji. Apkrovos varža gali būti, pa-

vyzdžiui, kito laipsnio įėjimo varža:

𝑟𝐾 =𝑅𝐾𝑅𝑎𝑝𝑘

𝑅𝐾 +𝑅𝑎𝑝𝑘. (4.19)

Emiterio grandinės varža 𝑟𝐸 - tai bazės - emiterio sandūros dife-

rencialinė varža, lygi 𝑟𝐸 = 25mV 𝐼𝐸 , be to, esant bazės srovei labai

mažai, galima laikyti 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐾. Jei emiterio grandinėje įjungtas rezis-

torius su varža 𝑅𝐸 , tai stiprinimo koeficientą reikia skaičiuoti pagal

formulę:

𝐾𝑠 =𝑟𝐾

𝑟𝐸+𝑅𝐸. (4.20)

Svarbūs tranzistorinio laipsnio parametrai yra įėjimo ir išėjimo

varžos.

Kintamosios srovės stiprintuvo įėjimo varža nustatoma kaip

harmoninės įėjimo įtampos amplitudės 𝑈įė.𝑚 santykis su įėjimo sro-

vės amplitude 𝐼įė.𝑚 :

𝑟įė =𝑈įė.𝑚

𝐼įė.𝑚. (4.21)

Kintamosios srovės stiprintuvo įėjimo varža skaičiuojama kaip

tranzistoriaus įėjimo varžos 𝑟𝑖 = 𝛽𝐴𝐶𝑟𝐸 ir bazės priešįtampio gran-

dinės rezistorių lygiagretus sujungimas. Schemoje 4.4 pav. naudo-

jamas vienas rezistorius 𝑅𝐵 , todėl laipsnio įėjimo varža lygi:

1

𝑟įė=

1

𝑟𝑖+

1

𝑅𝐵. (4.22)

Schemos diferencialinė išėjimo varža 𝑟𝑖š nustatoma pagal tuščios

eigos įtampą 𝑈𝑡𝑒 .𝑚 stiprintuvo išėjime ir pagal įtampą 𝑈𝑖š.𝑚 , išma-

tuotą ant apkrovos varžos 𝑅𝑎𝑝𝑘 , iš lygties:

57

𝑈𝑖š.𝑚

𝑈𝑡𝑒.𝑚=

𝑅𝑎𝑝𝑘

𝑅𝑎𝑝𝑘 +𝑟𝑖š. (4.23)

Tranzistorinio laipsnio darbo taškas apsprendžia jo darbo savi-

tumą. Didžiausią neiškraipytą kintamosios išėjimo įtampos dydį

gausime, kai statiniame režime nuolatinė kolektoriaus įtampa lygi

pusei kolektoriaus maitinimo šaltinio įtampos 𝑈𝐾 = 𝐸𝐾 2 .

Jei netinkamai parenkami įėjimo signalo amplitudė ir bazės

priešįtampio dydis, pasireiškia iškraipymai: išėjimo įtampa praran-

da harmoninę formą. Iškraipymų pašalinimui reikia pakoreguoti

darbo tašką ar sumažinti įėjimo signalo amplitudę.


Laboratorinio stendo sudėtis:


laboratorinis modulis Lab4A dvipolio tranzistoriaus 2N2222

tipo charakteristikų tyrimas.

4. DARBO UŽDUOTIS

Redaktoriuje MS Word paruoškite ataskaitos šabloną.


NI ELVIS II maketinės plokštės. Modulio išorinis vaizdas parody-

tas 4.6 pav.

Dvipolio tranzistoriaus charakteristikų tyrinėjimui naudojama

schema, parodyta 4.7 pav.


4.6 pav. Modulio Lab4A, skirto dvipolio tranzistoriaus

charakteristikų tyrinėjimui, išorinis vaizdas

58



vaizdas (4.8 pav.).

1 užduotis. Dvipolio tranzistoriaus nuolatinės srovės perdavimo

koeficiento nustatymas

4.1.1. Slankiojančiais reguliatoriais priekiniame VP valdymo lange

nustatykite maitinimo šaltinių 𝐸𝑏 ir 𝐸𝑘 įtampas, apytikriai lygias


4.7 pav. Elektrinė jungimo schema dvipolio

tranzistoriaus charakteristikų tyrimui

59

nurodytoms 4.1 lentelėje, ir išmatuokite VP atitinkamas kolektoriaus

srovės 𝐼𝐾, bazės srovės 𝐼𝐵 ir kolektoriaus - emiterio įtampos reikš-

mes 𝑈𝐾𝐸 .

4.1.2. Pagal formulę (4.5) išskaičiuokite ir įrašykite į 4.1 lentelę

tranzistoriaus stiprinimo statinio koeficiento reikšmes 𝛽𝐷𝐶 . Padary-

kite išvadas apie kolektoriaus - emiterio įtampos 𝑈𝐾𝐸 poveikį tran-

zistoriaus stiprinimo koeficientui.

4.1 lentelė

𝑬𝑩 , V 𝑬𝑲 , 𝐕 𝑰𝑲 , 𝐦𝐀 𝑰𝑩 , 𝛍𝐀 𝑼𝑲𝑬 , 𝐕 𝜷𝑫𝑪

0,7 2

0,8 2

0,9 2

0,7 4

0,8 4

0,9 4



langas (4.9 pav.).

2 užduotis. Dvipolio tranzistoriaus įėjimo charakteristikos

nustatymas schemoje su bendru emiteriu

4.2.1. Skaitmeniniu valdymo elementu, esančiu priekiniame VP

valdymo lange, nustatykite kolektoriaus 𝐸𝐾 maitinimo šaltinio

įtampą, lygią 3V. Nuspauskite mygtuką „Matavimas“. Grafiniame

VP indikatoriuje pasirodys įėjimo srovės 𝐼𝐵 priklausomybės nuo

įėjimo įtampos 𝑈𝐵𝐸 grafikas.

Nukopijuokite vaizdą iš grafinio indikatoriaus į ataskaitos

puslapį.

4.2.2. Keisdami bazės 𝐸𝐵 šaltinio įtampą slankiojančiu reguliato-

riumi, esančiu VP valdymo lange, nustatykite bazės srovės reikšmę

iš pradžių apie 10µA, o po to apie 40µA. Užrašykite į ataskaitą ba-

zės srovės 𝐼𝐵 ir bazės - emiterio įtampos 𝑈𝐵𝐸 reikšmes šiems įėjimo

charakteristikos taškams.

60

4.2.3. Paskaičiuokite tranzistoriaus diferencialinę įtampos varžą,

keičiant bazinę srovę nuo 10µA iki 40µA, pagal formulę 𝑟įė =

∆𝑈𝐵𝐸 ∆𝐼𝐵 . Gautus rezultatus užrašykite ataskaitoje.



langas (4.10 pav.).

3 užduotis. Dvipolio tranzistoriaus išėjimo charakteristikų šeimos

nustatymas schemoje su bendru emiteriu

4.3.1. VP valdymo lange nuspauskite mygtuką „Matavimas“.

Grafiniame indikatoriuje pasirodys kolektoriaus srovės 𝐼𝐾

priklausomybės nuo kolektoriaus - emiterio įtampos 𝑈𝐾𝐸 grafikai,

gauti nuosekliai keičiant tranzistoriaus kolektoriaus įtampas nuo 0

iki 10V ir esant fiksuotoms bazės šaltinio įtampoms 𝐸𝐵=0,6V; 0,74V;

0,88V; 1,02V ir 1,16V. Nustatytos bazės srovės 𝐼𝐵 parodomos

grafike.

4.3.2. Nukopijuokite vaizdą iš grafinio indikatoriaus į ataskaitos

puslapį. Kiekvienai kreivei MS Word priemonėmis pažymėkite

atitinkamas bazės srovės reikšmes.


61

4.3.3. Esant fiksuotai kolektoriaus įtampai 𝑈𝐾𝐸=3V, nustatykite

kolektoriaus srovę 𝐼𝐾, atitinkančią tas bazės srovės reikšmes,

kurioms buvo matuotos išėjimo charakteristikos.

Tam tikslui slankiojančiu reguliatoriumi “X”, esančiu VP

valdymo lange, nustatykite vertikalią vizyro liniją prieš padalą

“3V” horizontalios išėjimo charakteristikų grafiko ašies. Po to,

slankiojančiu reguliatoriumi “Y” perstumdami horizontalią vizyro

liniją, gaukite kolektoriaus srovės reikšmes išėjimo charakteristikų

susikirtimo su vertikaliu vizyru taškuose. Gautus rezultatus užra-

šykite ataskaitoje.

4.3.4. Nustatykite srovės perdavimo koeficientą 𝛽𝐴𝐶 , keičiant

bazės sroves ruože nuo 10µA iki 40µA, pagal formulę 𝛽𝐴𝐶 =∆𝐼𝐾 ∆𝐼𝐵 . Gautą reikšmę įrašykite į ataskaitą.

4.3.5. Parinkite kolektoriaus varžą lygią 𝑅𝐾 = 300Ω, o kolektoriaus

maitinimo šaltinio 𝐸𝐾 = 3V, ir MS Word priemonėmis nubrėžkite

tranzistoriaus išėjimo charakteristikų grafike apkrovos liniją dviems

taškams: taškui 𝐸𝐾 = 3V abscisių ašyje ir taškui 𝐼𝐾 = 𝐸𝐾 𝑅𝐾

ordinačių ašyje.


62

4.3.6. Pagal išėjimo charakteristikas ir apkrovos liniją įvertinkite

kolektoriaus srovės 𝐼𝐾∗ ir bazės srovės 𝐼𝐵

∗ reikšmes darbiniame taške,

kuriam 𝑈𝐾 = 𝐸𝐾 2 . Gautas reikšmes įrašykite į ataskaitą.

4.3.7. Nuspauskite priekiniame VP valdymo lange mygtuką

„Pereiti prie 4 užduoties“, ekrane pasirodys 4 užduoties VP

valdymo langas (4.11 pav.).

4 užduotis. Tranzistorinio laipsnio su bendru emiteriu darbinio

taško nustatymas

4.4.1. VP valdymo languose nustatykite harmoninės įėjimo

įtampos šaltinio įtampos amplitudę 𝑈įė.𝑚 = 0 ir kolektoriaus šaltinio

įtampos dydį 𝐸𝐾 = 3V. Nuspauskite mygtuką „Matavimas“.

Tranzistoriaus išėjimo charakteristikų grafike pasirodys

apkrovos linijos vaizdas. Palyginkite jį su vaizdu, gautu atliekant

4.3.5 p.

4.4.2. Reguliuodami bazės šaltinio 𝐸𝐵 , nustatykite bazės srovės 𝐼𝐵∗

reikšmę, lygią reikšmei, gautai 4.3.6 p. Išmatuokite ir įrašykite į 4.2

lentelę tranzistorinio stiprintuvo su bendru emiteriu statinio režimo

parametrus.


63

4.2 lentelė

𝑰𝑩 , 𝛍𝐀 𝑼𝑩𝑬 , 𝐕 𝑰𝑲 , 𝐦𝐀 𝑼𝑲 , 𝐕

4.4.3. Palaipsniui didindami įėjimo įtampos 𝑈įė.𝑚 amplitudę,

gaukite grafiniame VP indikatoriuje didžiausią neiškreiptą išėjimo

signalą. Nukopijuokite išėjimo signalo vaizdą į ataskaitą.

Palyginkite oscilogramas ir padarykite išvadas apie tranzistorinės

laipsnės su bendru emiteriu įėjimo ir išėjimo signalų fazių santykį.

4.4.4. VP pagalba išmatuokite įėjimo 𝑈įė ir išėjimo 𝑈𝑖š įtampų

amplitudžių reikšmes. Tam tikslui, pasinaudodami grafinių

indikatorių vizyrų linijomis, nustatykite pagal įėjimo ir išėjimo

signalų oscilogramas didžiausias ir mažiausias momentines duotų

įtampų reikšmes. Įtampų reikšmių nustatymui panaudokite

skaitmeninius indikatorius, sutapatindami juos su slankiojančiais

VP reguliatoriais. Įtampų amplitudes paskaičiuokite pagal formulę

𝑈𝑚 = 𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛 2 . Gautus rezultatus įrašykite į ataskaitą.

4.4.5. Pasinaudodami gautomis įėjimo ir išėjimo signalų

reikšmėmis, pagal formulę (4.17) nustatykite tranzistorinės laipsnės

stiprinimo koeficientą. Rezultatą įrašykite į ataskaitą.

4.4.6. Paskaičiuokite tranzistorinės kaskados stiprinimo

koeficientą pagal formulę (4.18). Rezultatą įrašykite į ataskaitą.

Palyginkite išmatuotą ir paskaičiuotą koeficientus. Paaiškinkite

gautą rezultatą.

4.4.7. Ištirkite, kokį poveikį daro darbo taško padėtis

tranzistorinės laipsnės su bendru emiteriu darbui. Tam tikslui,

reguliuodami bazės šaltinio įtampą 𝐸𝐵 , pakeiskite bazės srovės

reikšmę maždaug 30% nuo dydžio 𝐼𝐵∗ , gauto 4.3.6 skyriuje, iš

pradžių didėjimo, po to mažėjimo kryptimi. Stebėkite išėjimo

signalo iškraipymo pobūdį. Nukopijuokite į ataskaitą vaizdą, gautą

grafiniame VP indikatoriuje abiem atvejais. Paaiškinkite stebimų

išėjimo signalo iškraipymų priežastis.

4.4.8. Išjunkite VP, paspausdami valdymo lange mygtuką „Darbo

pabaiga“.

64


Kokios galimos dvipolio tranzistoriaus jungimo schemos?

Nurodykite faktorius, nusakančius srovės, tekančios per

dvipolio tranzistoriaus kolektorių stiprį.

Ar koeficientas 𝛽𝐷𝐶 priklauso nuo kolektoriaus srovės? Jei

taip, tai ar žymiai? Pagrįskite atsakymą.

Ką pagal išėjimo charakteristikas galima pasakyti apie kolek-

toriaus srovės priklausomybę nuo bazės srovės ir kolekto-

riaus - emiterio įtampos?

Ar priklauso dvipolio tranzistoriaus diferencinė įėjimo varža

nuo emiterio srovės?

Kas apsprendžia dvipolio tranzistoriaus darbo taško padėtį?

Kokiomis sąlygomis dvipolis tranzistorius bus nukirtimo re-

žime?

Kas apsprendžia įtampos tarp kolektoriaus ir emiterio kriti-

mą įsotinimo režime?

Koks fazių skirtumas tarp įėjimo ir išėjimo signalų stiprintu-

vo laipsne su bendru emiteriu?

Kaip nustatomas įtampos stiprinimo koeficientas bendro

emiterio tranzistoriniame laipsne?

Paaiškinkite kaip dirba VP, vykdant laboratorinio darbo už-

duotis.

Kokiu tikslumu laboratoriniame darbe nustatyti dvipolio

tranzistoriaus parametrai? Nuo ko gali priklausyti gautų re-

zultatų kokybė?


LAUKO TRANZISTORIAUS CHARAKTERISTIKŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos gavimas

schemoje su bendra ištaka;

65

lauko tranzistoriaus kanalo varžos priklausomybės nuo už-

tūros - ištakos įtampos gavimas;

lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikų šeimos gavimas

schemoje su bendra ištaka;

tranzistorinio laipsnio su bendra ištaka darbo tyrimas.

2. TEORINĖ DALIS

lauko tranzistorių sandara ir darbo principas *1, 2, 3];

pagrindinės lauko tranzistorių charakteristikos [1, 3];

lauko tranzistorių įjungimo schemos ir jų darbo režimai [1].

Unipoliniais arba lauko tranzistoriais vadinami puslaidininki-

niai prietaisai, kuriuose srovės valdymas vyksta keičiant kanalo

laidumą elektriniu lauku, statmenu srovės krypčiai. Abu šių tran-

zistorių pavadinimai aiškiai nusako jų pagrindines ypatybes: srovės

tekėjimą kanale sąlygoja tik vienas krūvininkų tipas ir kanalo srovė

valdoma elektriniu lauku.

Kanale įjungti elektrodai vadinami santaka (𝑆) ir ištaka (𝐼), o

valdantysis elektrodas - užtūra (𝑈). Valdymo įtampa, kuri sukuria

kanalo lauką, paduodama tarp užtūros ir ištakos. Priklausomai nuo

užtūros sandaros, unipoliniai tranzistoriai skirstomi į dvi grupes: su

valdoma p-n sandūra ir su izoliuota užtūra.

Lauko tranzistoriaus su izoliuota užtūra (LTIU) sandara parodyta

5.1 pav.

Užtūros elektrodas lauko tranzistoriuje su izoliuota užtūra at-

skirtas nuo puslaidininkinio kanalo dielektriko iš silicio dioksido

5.1 pav. Lauko tranzistoriaus su izoliuota užtūra sandara

Arūnas

Note

66

SiO2 sluoksniu. Tokios struktūros lauko tranzistorius vadinamas

MOP - tranzistorium (Metalas - Oksidas - Puslaidininkis). Santakos

ir ištakos elektrodai išdėstyti abipus užtūros ir kontaktuoja su pus-

laidininkiniu kanalu. Užtūros srovės nuotėkiai nepaisomai maži

netgi esant padidintoms temperatūroms. Puslaidininkinis kanalas

gali būti nuskurdintas arba praturtintas krūvių nešėjais. Esant nu-

skurdintam kanalui, užtūros elektrinis laukas padidina jo laidumą,

todėl kanalas vadinamas indukuotu. Jeigu kanalas praturtintas krū-

vininkais, tai jis vadinamas įterptu. Užtūros elektrinis laukas šiuo

atveju nuskurdina kanalą krūvininkais.

Kanalo laidumas gali būti elektroninis arba skylinis. Jei kanalo

laidumas elektroninis, jis vadinasi n - kanalu. Kanalai su skyliniu

laidumu vadinasi p - kanalais. Taigi, lauko tranzistoriai su izoliuota

užtūra gali būti keturių tipų: su kanalais n - arba p - tipo, kiekvienas

iš kurių gali turėti indukuotą arba įterptą kanalą.

Šių tipų tranzistoriai sąlyginai grafiškai pavaizduoti 5.2 pav.

Grafinis tranzistorių žymėjimas informuoja apie jų sandarą.

Brūkšninė linija reiškia indukuotą kanalą, o ištisinė - įterptą. Pa-

grindas vaizduojamas kaip elektrodas su rodykle, kurios kryptis

rodo kanalo laidumo tipą. Jei tranzistoriaus korpusas pagamintas iš

metalo, tai pagrindas turi su juo elektrinį kontaktą. Elektrinėse

schemose pagrindas paprastai sujungtas su bendru laidu. Užtūra

vaizduojama vertikalia linija, lygiagrečia kanalui. Užtūros išvadas

nukreiptas į ištakos elektrodą.

Lauko tranzistoriaus su valdančia p-n sandūra (LTVS) sandara pa-

rodyta 5.3a pav. Atbulinės įtampos keitimas užtūroje leidžia regu-

5.2 pav. Sąlyginis grafinis lauko tranzistorių su izoliuota užtūra pavaizdavimas

67

liuoti srovę kanale. 5.3a pav. parodytas lauko tranzistorius su p -

tipo kanalu ir n - tipo užtūra. Lauko tranzistorius su valdančia p-n

sandūra sąlyginai grafiškai pavaizduotas 5.3b pav. Atbulinės įtam-

pos didėjimas užtūroje sukelia kanalo laidumo mažėjimą, todėl lau-

ko tranzistoriai su valdančia p-n sandūra dirba tik kanalo nuskur-

dinimo krūvininkais. Įterptas kanalas parodytas šiame paveiksle

ištisine linija, turinčia kontaktus su santakos ir ištakos elektrodais.

Lauko tranzistorių įėjimo varža siekia dešimtis - šimtus MΩ.

Įėjimo srovė labai maža ir praktiškai nepriklauso nuo įtampos 𝑈𝑈𝐼

tarp užtūros ir ištakos, todėl lauko tranzistorių įėjimo charakteristi-

ka, t.y. priklausomybė 𝐼𝑈 nuo 𝑈𝑈𝐼 , esant fiksuotai reikšmei 𝑈𝑆𝐼 ,

praktiškai neturi reikšmės ir skaičiavimuose naudojamos tik perda-

vimo ir išėjimo VACh.

Lauko tranzistorių su n - kanalu tipinės perdavimo charakteristi-

kos parodytos 5.4 pav. Kaip matyti, tranzistorių su n kanalu santakos

srovė yra teigiama, kas atitinka teigiamą santakos įtampą.

LTVS, esant nulinei užtūros įtampai, turi maksimalią srovės

reikšmę, kuri vadinama pradine 𝐼𝑝 . Didėjant uždaromajai įtampai,

5.3 pav. Lauko tranzistoriaus sandara su valdančia p-n sandūra

5.4 pav. Lauko tranzistorių su n kanalu tipinės perdavimo charakteristikos

68

santakos srovė mažėja ir, pasiekus nukirtimo įtampą 𝑈𝑛𝑢𝑘 , priartėja

prie nulio.

Jeigu LTIU su indukuotu kanalu užtūros įtampa lygi nuliui, tai

santakos srovė neteka. Tokiuose tranzistoriuose santakos srovė te-

ka, jei užtūros įtampa didesnė už slenkstinę reikšmę 𝑈𝑠𝑙 . Užtūros

įtampos didėjimas sukelia santakos srovės didėjimą.

LTIU su įterptu kanalu charakteristikos prie nulinės užtūros

įtampos turi pradinę srovės reikšmę 𝐼𝑆.𝑝𝑟 . Tokie tranzistoriai gali

dirbti ir praturtinimo, ir nuskurdinimo režime. Didinant užtūros

įtampą, kanalas praturtinamas, ir santakos srovė auga, o mažėjant

užtūros įtampai, kanalas nuskurdinamas ir santakos srovė mažėja.

Lauko tranzistorių su p - kanalu perdavimo charakteristikos at-

rodo taip pat, tik išsidėsto apatinėje grafiko pusėje ir turi neigiamą

srovės reikšmę ir neigiamą įtampą santakoje.

Tipinės lauko tranzistorių su valdančia p-n sandūra ir n - tipo

kanalu išėjimo charakteristikos parodytos 5.5 pav. Kitų tipų tranzisto-

rių charakteristikos atrodo analogiškai. Šiose VACh galima išskirti

dvi sritis: tiesinė ir įsotinimo. Tiesinėje srityje VACh iki perlinkimo

taško išreiškiamos tiesiomis linijomis, kurių nuolydis priklauso nuo

užtūros įtampos. Įsotinimo srityje VACh praktiškai horizontalios,

kas leidžia daryti išvadą, kad santakos srovė 𝐼𝑆 nepriklauso nuo

santakos įtampos 𝑈𝑆𝐼 . Šių charakteristikų ypatybės apsprendžia

lauko tranzistorių pritaikymo sritis.

5.5 pav. Lauko tranzistoriaus su valdančia p-n sandūra išėjimo charakteristikos

69

Tiesinėje srityje lauko tranzistorius naudojamas kaip varža,

valdoma užtūros įtampa, o įsotinimo srityje - kaip stiprinimo ele-

mentas.

Tiesinė sritis. Tiesinėje srityje lauko tranzistoriaus santakos sro-

vė nustatoma lygtimi:

𝐼𝑆 = 2𝑘 𝑈𝑠𝑙 − 𝑈𝑈𝐼 𝑈𝑆𝐼 −𝑈𝑆𝐼

2

2 , (5.1)

kur 𝑘 - pastovus koeficientas, priklausantis nuo tranzistoriaus kon-

strukcijos, 𝑈𝑠𝑙 - slenkstinė įtampa (arba nukirtimo įtampa), 𝑈𝑈𝐼 -

įtampa tarp užtūros ir ištakos, 𝑈𝑆𝐼 - įtampa tarp santakos ir ištakos.

Pradinėje tiesinės srities atkarpoje, įvertinant mažą santakos

įtampos 𝑈𝑆𝐼 ≈ 0 reikšmę, galima naudotis supaprastinta formule:

𝐼𝑆 ≈ 2𝑘 𝑈𝑠𝑙 − 𝑈𝑈𝐼 𝑈𝑆𝐼 , (5.2)

Formulė (5.2) leidžia nustatyti kanalo varžą tiesinėje srityje:

𝑅𝐾 =𝑈𝑆𝐼

𝐼𝑆=

1

2𝑘 𝑈𝑠𝑙−𝑈𝑈𝐼 . (5.3)

Iš formulės (5.3) seka, kad prie 𝑈𝑈𝐼 = 0 kanalo varža bus mini-

mali 𝑅𝐾.𝑚𝑖𝑛 = 1 2𝑘𝑈𝑠𝑙 . Jeigu užtūros įtampa artėja prie slenkstinės

reikšmės 𝑈𝑈𝐼 → 𝑈𝑠𝑙 , kanalo varža išauga iki begalybės: 𝑅𝐾 → ∞. Ka-

nalo varžos priklausomybės nuo valdančios įtampos užtūroje grafi-

kas parodytas 5.6 pav.

5.6 pav. Lauko tranzistoriaus kanalo varžos priklausomybė nuo įtampos užtūroje

70

Lauko tranzistoriaus pagrindinis pritaikymas tiesinėje srityje

apsprendžiamas jo savybe keisti varžą keičiant užtūros įtampą. Ga-

linguose lauko tranzistoriuose su izoliuota užtūra mažiausia kanalo

varža siekia 0,05 - 2Ω, o įtampą užtūroje nustačius lygią slenkstinei

reikšmei (arba didesnę), tranzistoriaus kanalo varža padidėja iki

šimtų kiloomų. Tokiu būdu, lauko tranzistorių galima panaudoti

kaip raktą, valdomą užtūros įtampa.

Įsotinimo sritis. Įsotinimo srityje lauko tranzistoriaus santakos

srovė nustatoma lygtimi:

𝐼𝑆 = 𝑘 𝑈𝑠𝑙 − 𝑈𝑈𝐼 2 , (5.4)

kuri parodo jos nepriklausomumą nuo santakos įtampos. Praktiškai

tokia priklausomybė egzistuoja, bet dažniausiai ji labai silpnai iš-

reikšta. Iš lygties (5.4) galima rasti pradinę santakos srovę, kai

𝑈𝑈𝐼 = 0:

𝐼𝑆.𝑝𝑟 = 𝑘𝑈𝑠𝑙2 . (5.5)

Iš formulės (5.5) matyti, kad koeficiento 𝑘 reikšmę galima nu-

statyti eksperimento būdu, išmatavus pradinę santakos srovę 𝐼𝑝𝑟 ir

slenkstinę įtampą 𝑈𝑠𝑙 (arba nukirtimo įtampą 𝑈𝑛𝑢𝑘 ).

Lauko tranzistoriai prisotinimo srityje naudojami dažniausiai

kaip stiprintuviniai prietaisai, o jų stiprinimo savybes nusako vol-

tamperinės charakteristikos statumas:

5.7 pav. Stiprintuvo su lauko tranzis-

toriumi tipinė schema

5.8 pav. Rimties režimo nustatymas

stiprintuve su lauko tranzisto-

riumi su valdančia p-n sandū-

ra

71

𝑆 = 𝑑𝐼𝑆

𝑑𝑈𝑈𝐼 = 2𝑘 𝑈𝑠𝑙 − 𝑈𝑆𝐼 . (5.6)

Iš lygties (5.6) matyti, kad statumas būna maksimalus prie

𝑈𝑈𝐼 = 0. Didėjant užtūros įtampai statumas mažėja ir prie 𝑈𝑠𝑙 = 𝑈𝑈𝐼

tampa lygi nuliui.

Panaudojant maksimalų statumo dydį 𝑆𝑚𝑎𝑥 = 2𝑘𝑈𝑠𝑙 , lygtį (5.6)

galima užrašyti tokiu pavidalu:

𝑆 = 𝑆𝑚𝑎𝑥 1 −𝑈𝑈𝐼

𝑈𝑠𝑙 . (5.7)

Stiprintuvas su lauko tranzistoriumi. Labiausiai paplitusi yra ben-

drosios ištakos schema. Joje naudojami lauko tranzistoriai su val-

dančia p-n - sandūra, arba MOP - tranzistoriai su įterptu kanalu.

5.7 pav. parodyta tipinė stiprintuvo schema su valdančia p-n -

sandūra ir n - tipo kanalu. Šioje schemoje įtampos šaltiniu 𝐸𝑝į nusta-

tomas reikalingas tranzistoriaus darbo režimas.

Lauko tranzistorius, palyginus su dvipoliu, turi šios privalu-

mus:

didesnė lauko tranzistoriaus įėjimo varža supaprastina jos

suderinamumą su didelės varžos signalo šaltiniu;

lauko tranzistorius turi mažesnį triukšmo koeficientą, kas

teikia jam privalumą stiprinant silpnus signalus;

lauko tranzistorius turi didelį temperatūrinį stabilumą.

Iš kitos pusės, stiprintuvas lauko tranzistorių pagrindu turi ma-

žesnį įtampos stiprinimo koeficientą nei stiprintuvas su dvipoliu

tranzistoriumi.

Kaip jau buvo minėta, lauko tranzistorius su valdančia sandūra

gali veikti tik kanalo nuskurdinimo režime, t.y. jo santakos ir užtū-

ros įtampos turi būti priešingo ženklo. Todėl, nustatant nuolatinės

srovės režimą, plačiai naudojamas nuoseklaus apkrovos srovei nei-

giamo grįžtamojo ryšio (NGR) įvedimas į laipsnį. 5.8 pav. parodyta

tokio laipsnio schema.

Stiprintuve lygiagrečiai įėjimui įjungtas rezistorius 𝑅𝑝į. Šis re-

zistorius užtikrina užtūros galvaninį ryšį su bendru laidu, o taip pat

72

stabilizuoja laipsnio įėjimo varžą. Rezistoriaus varža 𝑅𝑝į parenkama

mažesnė nei nuosava tranzistoriaus įėjimo varža (paprastai

𝑅𝑝į < 1MΩ). Kadangi lauko tranzistoriaus įėjimo srovė artima nu-

liui, tai įtampos kritimas ant 𝑅𝑝į nuo šaltinio srovės pratekėjimo taip

pat artimas nuliui, ir užtūros - ištakos įtampa praktiškai lygi įtam-

pos kritimui ant ištakos grandinėje įjungto rezistoriaus 𝑅𝐼.

Nagrinėjamoje schemoje rezistorius 𝑅𝐼 atlieka dvigubą vaidme-

nį. Pirmiausia, jis užtikrina pradinį tranzistoriaus priešįtampį (dar-

bo tašką), ir užtikrina nuoseklų neigiamą grįžtamąjį ryšį, dėl to su-

mažėja laipsnio stiprinimo koeficientas bet stabilizuojamas darbo

taškas.




laboratorinis modulis Lab5A lauko tranzistoriaus KP303B -

tipo tyrimui.

4. DARBO UŽDUOTIS



NI ELVIS II maketinės plokštės. Modulio išorinis vaizdas parodytas

5.9 pav.

Lauko tranzistoriaus charakteristikų tyrimui naudojama



5.9 pav. Modulio Lab5A, skirto lauko tranzistoriaus charakteristikų

tyrimui, išorinis vaizdas

73




1 užduotis. Lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikos

gavimas schemoje su bendra ištaka


valdymo lange, nustatykite santakos maitinimo įtampą 𝐸𝑆 , lygią 3V.

Nuspauskite mygtuką „Matavimas“. Grafiniame VP indikatoriuje

pasirodys tranzistoriaus išėjimo srovės 𝐼𝑆 priklausomybės nuo

įėjimo įtampos 𝑈𝑈𝐼 grafikas.

Nukopijuokite vaizdą iš grafinio indikatoriaus į ataskaitos

puslapį.

4.1.2. Keisdami užtūros šaltinio įtampą 𝐸𝑈 , slankiojančiu

reguliatoriumi, esančiu VP valdymo lange, nustatykite santakos

srovės 𝐼𝑆 reikšmę apie 0,01mA. Ataskaitoje užrašykite užtūros -

ištakos nukirtimo įtampos reikšmę 𝑈𝑈𝐼 .𝑛𝑢𝑘 .

4.1.3. Keisdami užtūros šaltinio 𝐸𝑈 įtampą slankiojančiu

reguliatoriumi, esančiu VP valdymo lango, nustatykite užtūros -

ištakos įtampos reikšmę 𝑈𝑈𝐼 lygią 0V. Įrašykite į ataskaitą pradinę

santakos srovės reikšmę 𝐼𝑆.𝑝𝑟 .

4.1.4. Paskaičiuokite koeficiento 𝑘 reikšmę, įvertindami

konstrukcinius ir technologinius tranzistoriaus parametrus, pagal

formulę 𝑘 = 𝐼𝑆.𝑝𝑟 𝑈𝑈𝐼 .𝑛𝑢𝑘 2 .

5.10 pav. Elektrinė jungimo schema lauko tranzistoriaus

charakteristikų tyrimui

74

4.1.5. Keisdami užtūros šaltinio įtampą 𝐸𝑈 slankiojančiu

reguliatoriumi, esančiu VP valdymo lange, nustatykite užtūros -

ištakos įtampos 𝑈𝑈𝐼 reikšmę, iš pradžių lygią 𝑈𝑈𝐼 .1 = −0,1V, po to

lygią 𝑈𝑈𝐼 .2 = +0,1V. Įrašykite į ataskaitą santakos srovės 𝐼𝑆.1 ir 𝐼𝑆.2

reikšmes šitiems perdavimo charakteristikos taškams.

4.1.6. Paskaičiuokite ir įrašykite į ataskaitą lauko tranzistoriaus

perdavimo charakteristikos statumo reikšmę taške 𝑈𝑈𝐼 = 0 pagal

formulę 𝑆 = 𝐼𝑆.2 − 𝐼𝑆.1 𝑈𝑈𝐼 .2 − 𝑈𝑈𝐼 .1 .




2 užduotis. Lauko tranzistoriaus kanalo varžos priklausomybės

nuo užtūros - ištakos įtampos grafiko gavimas


valdymo lange, nustatykite santakos maitinimo įtampos 𝐸𝑆 reikšmę,

lygią 3V. Nuspauskite VP valdymo lange mygtuką „Matavimas“.

Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys lauko tranzistoriaus kanalo

varžos 𝑅𝐾 priklausomybės nuo užtūros - ištakos įtampos 𝑈𝑈𝐼

grafikas.


75

Nukopijuokite kanalo varžos priklausomybės nuo užtūros -

ištakos įtampos vaizdą į ataskaitą.


reguliatoriumi, esančiu VP valdymo lange, nustatykite santakos

srovės 𝐼𝑆 reikšmę, maždaug lygią 0,02 - 0,03mA. Užrašykite

ataskaitoje varžos 𝑅𝐾.𝑚𝑎𝑥 reikšmę, atitinkančią įtampą 𝑈𝑈𝐼 .𝑛𝑢𝑘

(uždara tranzistoriaus būsena).


reguliatoriumi, nustatykite užtūros - ištakos įtampą, lygią 0V.

Užrašykite ataskaitoje varžos 𝑅𝐾.𝑚𝑖𝑛 reikšmę, atitinkančią įtampą

𝑈𝑈𝐼 = 0 (atvira tranzistoriaus būsena).




3 užduotis. Lauko tranzistoriaus išėjimo charakteristikų šeimos

matavimas bendrosios įštakos schemoje

4.3.1. Nuspauskite VP valdymo lange mygtuką „Matavimas“.

Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys santakos srovės 𝐼𝑆

priklausomybės nuo santakos - ištakos įtampos 𝑈𝑈𝐼 grafikai, gauti


76

palaipsniui keičiant tranzistoriaus santakos įtampas nuo 0 iki 10V ir

esant fiksuotoms užtūros šaltinio įtampos reikšmėms 𝑈𝑈𝐼 =

−1,5𝑉; −1,0𝑉; −0,5𝑉; 0𝑉; +0,5𝑉.

4.3.2. Nukopijuokite tranzistoriaus išėjimo charakteristikų vaizdą

į ataskaitą. MS Word redaktoriumi, nubrėžkite ataskaitoje kiek

vienam grafikui įtampą 𝑈𝑈𝐼 .

4.3.3. Esant fiksuotai santakos - ištakos įtampai, lygiai 𝑈𝑆𝐼 = 3V,

nustatykite santakos srovę 𝐼𝑆, atitinkančią užtūros įtampos

reikšmes, prie kurių buvo nustatomos išėjimo charakteristikos.

Tam tikslui slankiojančiu reguliatoriumi „X“ pastatykite

vertikalią vizyro liniją prieš išėjimo charakteristikų grafiko

horizontalios ašies padalą “3V”. Po to, horizontalias vizyro linija,

naudojant slankiojantį reguliatorių „Y“, gaukite santakos srovės

reikšmes išėjimo charakteristikų susikirtimo su vertikalia vizyro

linija taškuose. Gautus rezultatus įrašykite į ataskaitą.

4.3.4. Nustatykite tranzistoriaus perdavimo charakteristikos 𝑆

statumą, keičiant užtūros - ištakos įtampą ruože nuo -1,0V iki 0V

pagal formulę 𝑆 = ∆𝐼𝑆 ∆𝑈𝑈𝐼 . Gautą reikšmę įrašykite į ataskaitą.

4.3.5. Pasirinkite santakos grandinės varžą lygią 300Ω, o santakos

šaltinio 𝐸𝑆 įtampos dydį - 3V, ir MS Word priemonėmis ataskaitoje


77

nubrėžkite tranzistoriaus išėjimo charakteristikų grafike apkrovos

liniją dviem taškams: taškui 𝐸𝑆 = 3V abscisių ašyje ir taškui

𝐼𝑆 = 𝐸𝑆 𝑅𝑆 ordinačių ašyje.

4.3.6. Įvertinkite tranzistorinės laipsnės aktyvaus režimo ribas,

kurios apibrėžiamos apkrovos linijos susikirtimo su išėjimo

charakteristikomis taškų koordinatėmis 𝐼𝑆.𝑚𝑎𝑥 , 𝑈𝑆𝐼 .𝑚𝑖𝑛 ir

𝐼𝑆.𝑚𝑖𝑛 , 𝑈𝑆𝐼 .𝑚𝑎𝑥 . Šios išėjimo charakteristikos gaunamos esant

užtūros - ištakos įtampos reikšmėms -1,0V ir +0,5V. Gautas

reikšmes įrašykite į ataskaitą.

4.3.7. Paskaičiuokite santakos srovę 𝐼𝑆∗ = 𝐼𝑆.𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑆.𝑚𝑖𝑛 aktyvaus

režimo vidutiniam taškui ir nustatykite iš perdavimo

charakteristikos atitinkamą užtūros - ištakos įtampos reikšmę 𝑈𝑈𝐼∗ .

4.3.8. Nuspauskite VP valdymo lange mygtuką „Pereiti prie 4

užduoties“, ekrane pasirodys 4 užduoties VP valdymo langas (5.14

pav.).

4 užduotis. Tranzistorinio laipsnio su bendra ištaka darbo tyrimas

4.4.1. Nustatykite VP valdymo languose harmoninės įėjimo

įtampos šaltinio įtampos amplitudę 𝑢įė.𝑚 = 0 ir santakos šaltinio

įtampos dydį 𝑈𝑆 = 3V. Nuspauskite mygtuką „Matavimas“.


78

Tranzistoriaus išėjimo charakteristikų grafike pasirodys

apkrovos linijos vaizdas. Palyginkite jį su vaizdu, gautu atliekant

4.3.5 p. užduotį.

4.4.2. Nustatykite užtūros šaltinio įtampą 𝐸𝑈 , lygią reikšmei 𝑈𝑈𝐼∗ ,

gautai p. 4.3.7. Išmatuokite ir įrašykite į 5.1 lentelę tranzistorinio

stiprintuvo su bendra ištaka statinio režimo parametrus.

5.1 lentelė

4.4.3. Tolygiai didindami įėjimo signalo 𝑢įė.𝑚 amplitudę,

grafiniame VP indikatoriuje gaukite didžiausią neiškreiptą išėjimo

signalą. Nukopijuokite išėjimo signalo vaizdą į ataskaitą.

Palyginkite oscilogramas ir padarykite išvadą apie tranzistorinės

laipsnės su bendra ištaka įėjimo ir išėjimo signalų fazių santykį.

4.4.4. VP išmatuokite įėjimo 𝑈įė ir išėjimo 𝑈𝑖š signalų amplitudžių

reikšmes. Tam tikslui, panaudodami grafinio indikatoriaus vizyro

linijas, nustatykite iš įėjimo ir išėjimo signalų oscilogramų

didžiausią ir mažiausią momentines nurodytų įtampų reikšmes.

Įtampos reikšmių atskaitymui naudokite skaitmeninius

indikatorius, suderintus su VP slankiojančiais reguliatoriais.

Signalų amplitudės nustatymui naudokite formulę 𝑈𝑚 =

𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛 2 . Gautus rezultatus įrašykite į ataskaitą.

4.4.5. Panaudodami gautas įėjimo ir išėjimo signalų amplitudžių

reikšmes, nustatykite tranzistorinės laipsnės stiprinimo koeficientą

pagal formulę 𝐾𝑠𝑡 = 𝑈𝑖š.𝑚 𝑈įė.𝑚 . Rezultatą įrašykite į ataskaitą.

4.4.6. Paskaičiuokite tranzistorinės laipsnės stiprinimo koeficientą

pagal formulę 𝐾𝑠𝑡 = 𝑆𝑅𝑆 , kur 𝑆 - statumo reikšmė, gauta 4.3.4 p.

Rezultatą įrašykite į ataskaitą. Palyginkite išmatuotą (4.4.5 p.) ir

paskaičiuotą stiprinimo koeficiento reikšmes. Paaiškinkite gautą

rezultatą.

4.4.7. Ištirkite, kokią įtaką daro darbinio taško padėtis

tranzistorinės laipsnės su bendra ištaka darbui. Tam tikslui,

reguliuodami užtūros šaltinio įtampą 𝐸𝑈 , pakeiskite užtūros -

𝑼𝑼𝑰 , V 𝑰𝑺 , 𝐦𝐀 𝑼𝑺𝑰 , 𝐕

79

ištakos įtampos reikšmę maždaug 30% nuo dydžio 𝑈𝑈𝐼∗ , gauto 4.3.7

skyriuje, pirmiausia didėjimo kryptimi, po to-mažėjimo. Sekite

išėjimo signalo iškraipymų pobūdį. Nukopijuokite į ataskaitą

vaizdą iš grafinio VP indikatoriaus abiem atvejais. Paaiškinkite

pastebėtų išėjimo signalo iškraipymų priežastį.

4.4.8. Išjunkite VP, paspausdami mygtuką „Darbo pabaiga“.


Kokie tranzistoriai vadinami lauko arba unipoliniai? Paaiš-

kinkite šių pavadinimų kilmę.

Kaip sudarytas lauko tranzistorius su izoliuota užtūra? Ko-

dėl jis vadinamas MOP - tranzistoriumi?

Kaip sudarytas lauko tranzistorius su valdančia p-n - sandū-

ra?

Kuo skiriasi lauko tranzistorių su p-n - sandūra ir su izoliuo-

ta užtūra veikimo principas?

Kuo skiriasi MOP - tranzistoriai su įterptu ir indukuotu ka-

nalais?

Kaip atrodo Jums žinomų lauko tranzistorių tipų perdavimo

charakteristikos?

Ar įvairių tipų lauko tranzistorių išėjimo charakteristikose

yra esminių skirtumų?

Kokios charakteringos sritys išskiriamos lauko tranzistorių

išėjimo voltamperinėse charakteristikose?

Kokios lauko tranzistorių pritaikymo ypatybės, priklauso-

mai nuo jų darbo taško padėties išėjimo charakteristikose?

Kokios Jums žinomos lauko tranzistorių jungimo schemos?

Kokie lauko tranzistorių privalumai, lyginant juos su dvipo-

liais?

Kokiu tikslumu darbe nustatyti lauko tranzistoriaus para-

metrai? Nuo ko gali priklausyti gautų rezultatų kokybė?

80


SCHEMŲ SU OPERACINIAIS STIPRINTUVAIS TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

susipažinimas su operacinio stiprintuvo charakteristikomis;

susipažinimas su schemų, sukurtų operacinio stiprintuvo

pagrindu ir skirtų analoginių signalų pakeitimui, sudarymo

principais;

invertuojančio ir neinvertuojančio stiprintuvų, sukurtų ope-

racinio stiprintuvo pagrindu tyrimas;

analoginių signalų integravimo ir diferencijavimo schemų

tyrimas.

2. TEORINĖ DALIS

operacinio stiprintuvo sandara ir pagrindinės charakteristi-

kos [1];

stiprintuvų sukūrimo operacinio stiprintuvo pagrindu me-

todai [1];

analoginių signalų keitiklių sukūrimo operacinių stiprintuvų

pagrindu metodai [1].

Viena iš puslaidininkinių prietaisų rūšių yra puslaidininkinės

integralinės mikroschemos - vientisi funkciniai prietaisai, kurių visi

elementai gaminami viename technologiniame cikle. Integralinės

mikroschemos atlieka įvairias operacijas ir su analoginiais, ir su

skaitmeniniais elektriniais signalais. Tarp integralinių mikrosche-

mų, skirtų analoginių elektrinių signalų apdorojimui, svarbią vietą

užima operacinis stiprintuvas (OS) - puslaidininkinis prietaisas,

skirtas įtampos stiprinimui ir įvairioms analoginių elektrinių signa-

lų keitimo operacijoms: sudėčiai, atimčiai, integravimui, diferenci-

javimui ir t.t. Atlikti šias operacijas leidžia OS teigiamo ir (arba)

neigiamo grįžtamojo ryšio grandinės, į kurių sudėtį gali įeiti varžos,

talpos, induktyvumai, diodai, stabilitronai, tranzistoriai ir dar kai

kurie elektronikos elementai.

81

Tipinis OS yra diferencinis stiprintuvas su labai dideliu stipri-

nimo koeficientu. 6.1 pav. parodytas sąlyginis OS žymėjimas princi-

pinėse schemose.

Kadangi OS naudojami kaip signalų keitikliai, jų charakteristi-

kos turi atitikti tam tikrus reikalavimus. Tų reikalavimų esmė ta,

kad charakteristikos būtų arčiausios idealaus OS charakteristikoms.

Idealaus operacinio stiprintuvo savybės yra:

OS be grįžtamojo ryšio perdavimo koeficientas lygus bega-

lybei;

įėjimo srovė lygi nuliui;

OS išėjimo įtampa ir srovė lygūs nuliui;

OS įėjimo varža lygi begalybei;

OS išėjimo varža lygi nuliui.

Idealaus OS modelį galima pritaikyti matematinių reikšmių,

apibūdinančių realių OS darbą įvairiuose režimuose, išvedimui.

OS išėjimo įtampa nustatoma iš formulės:

𝑈𝑖š = −𝐴 𝑈(−) − 𝑈(+) = −𝐴 ∆𝑈 , (6.1)

kur 𝐴 - stiprintuvo be grįžtamojo ryšio perdavimo koeficientas; 𝑈(−)

- įtampa inversiniame įėjime; 𝑈(+) - įtampa neinversiniame įėjime.

Minuso ženklas prieš perdavimo koeficientą (𝐴) rodo, kad iš-

ėjimo įtampa neigiama. Perdavimo koeficientą (𝐴) galima surasti

6.1 pav. Sutartiniai OS žymėjimai: (-) - inversinis OS įėjimas; (+) - neinversinis

OS įėjimas; 𝑈 − - inversinio įėjimo įtampa; 𝑈 + - neinversinio įėjimo

įtampa; 𝑈𝑖š - OS išėjimo įtampa; 𝐄š+ - OS maitinimo teigiama

pa; 𝐄š− - šaltinio neigiama įtampa.

82

kaip išėjimo įtampos (𝑈𝑖š) dydžio santykį su įėjimo įtampų (∆𝑈)

reikšmių skirtumu. Nuolatinės srovės OS perdavimo koeficientas

realiai svyruoja ribose nuo 10000 iki 2000000.

Dauguma OS turi dvipolį išėjimą. Tai reiškia, kad išėjimo signa-

las gali būti tiek teigiamas, tiek neigiamas. Todėl, tokios schemos

reikalauja dvejų maitinimo šaltinių.

Išėjimo įtampa niekada negali viršyti maitinimo įtampos

(𝐸š− < 𝑈𝑖š < 𝐸š+ ). Kaip taisyklė, maksimali OS išėjimo įtampa ke-

liomis dalimis volto mažesnė nei maitinimo įtampa. Šis apribojimas

žinomas kaip apribojimo įtampa (teigiama 𝑈𝑎𝑝𝑟 + ir neigiama

𝑈𝑎𝑝𝑟 −).

Grįžtamasis ryšys schemose su OS

Esant aukštai perdavimo koeficiento reikšmei, gan sunku val-

dyti stiprintuvą ir išsaugoti jį nuo įsotinimo. Tam tikrų išorinių

grandinių pagalba išėjimo signalo dalį galima nukreipti atgal į įėji-

mą, t.y., sukurti grįžtamąjį ryšį. Panaudojant neigiamą grįžtamąjį

ryšį, kai signalas iš stiprintuvo išėjimo patenka į įėjimą, būdamas

priešingos fazės nei įėjimo signalas, stiprintuvą galima padaryti

stabilesnį. Šis darinys vadinamas stiprintuvu su grįžtamuoju ryšiu

(arba su uždara grįžtamojo ryšio grandine). Grįžtamojo ryšio gran-

dinės panaudojimas sumažina perdavimo koeficientą, lyginant su

stiprintuvu be grįžtamojo ryšio (𝐴), bet schema tampa stabilia. Pa-

prastai OS įjungimo schemos su uždara grįžtamojo ryšio grandine

turi perdavimo koeficientą nuo 10 iki 1000, t.y., daugiau nei tūks-

tantį kartų mažesnį nei OS be grįžtamojo ryšio. Jeigu grįžtamas ry-

šys teigiamas, stiprintuvas pereina į virpesių generavimo režimą,

t.y., tampa autogeneratoriumi.

Invertuojantis stiprintuvas

OS jungimo schema, parodyta 6.2 pav., praktikoje naudojama

dažniausiai. Grįžtamojo ryšio grandinė šiuo atveju susideda iš vie-

nintelio rezistoriaus 𝑅𝑔𝑟 , kuris skirtas dalies išėjimo signalo grąži-

nimui atgal į įėjimą. Tai, kad rezistorius sujungtas su inversiniu įė-

jimu, rodo neigiamą grįžtamojo ryšio pobūdį. Įėjimo įtampa (𝑈1)

iššaukia įėjimo srovės 𝑖1 tekėjimą rezistoriumi 𝑅1. Atkreipkite dė-

83

mesį į tai, kad OS įėjimo įtampa (∆𝑈) yra diferencinio pobūdžio,

t.y., faktiškai ji yra skirtumas įtampų inversiniame (-) ir neinversi-

niame (+) įėjimuose. Teigiamas OS įėjimas dažniausiai įžeminamas.

Pritaikant Kirchhofo taisyklę, schemai 6.2 pav. galima sudaryti

tokias lygtis:

𝑈1 = 𝑖1𝑅1 + ∆𝑈, (6.2)

𝑈𝑖š = −𝑖𝑔𝑟𝑅𝑔𝑟 + ∆𝑈, (6.3)

𝑖1 = −𝑖𝑔𝑟 + 𝑖įė, (6.4)

𝑈𝑖š = −𝐴∆𝑈. (6.5)

Sprendžiant šias lygtis kartu, galima gauti tokią formulę:

𝑈𝑖š = 𝑖įė −𝑈1

𝑅1 𝑍, (6.6)

kur 𝑍 - grįžtamojo ryšio grandinės tariamoji varža:

1

𝑍=

1

𝑅𝑔𝑟+

1

𝐴 ∙ 𝑅1+

1

𝐴 ∙ 𝑅𝑔𝑟.

Įėjimo rezistoriaus ir grįžtamojo ryšio grandinės rezistoriaus

varžos paprastai didelės (dešimtys kΩ), o OS perdavimo koeficien-

tas labai aukštas (𝐴 > 100000), tokiu būdu, grįžtamojo ryšio gran-

6.2 pav. Invertuojančio stiprintuvo OS pagrindu jungimo schema

84

dinės tariamąją varžą galima laikyti lygia 𝑍 = 𝑅𝑔𝑟 . Be to, dydis ∆𝑈

paprastai labai mažas (keletas µV) ir, jeigu OS įėjimo varžos reikš-

mė (𝑍įė) didelė (paprastai apie 10MΩ), tada įėjimo srovė (𝑖įė =

∆𝑈 𝑍įė ) ypač maža ir jos galima nepaisyti. Įvertinant išdėstytus

duomenis, išėjimo įtampa tampa lygi:

𝑈𝑖š = − 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 𝑈1 = −𝐾𝑈1 , (6.7)

kur 𝐾 - stiprintuvo su grįžtamuoju ryšiu perdavimo koeficientas 𝐾 = 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 .

Minuso ženklas formulėje (6.7) reiškia, kad išėjimo signalo po-

liškumas priešingas įėjimo signalo poliškumui, t.y., inversinis jo

atžvilgiu, todėl toks stiprintuvas vadinamas invertuojančiu. Reikia

atkreipti dėmesį į tai, kad stiprintuvo su OS perdavimo koeficientą

galima reguliuoti, parenkant dviejų rezistorių 𝑅1 ir 𝑅𝑔𝑟 varžas.

Neinvertuojantis stiprintuvas

Neinvertuojantį stiprintuvą galima sukurti, įžeminus inversinio

stiprintuvo įėjimo varžą 𝑅1. Tokiu atveju įėjimo signalą reikia pa-

duoti į neinversinį įėjimą (6.3 pav.).

Grįžtamojo ryšio įtampa nuimama nuo įtampos daliklio, suda-

ryto iš grįžtamo ryšio rezistoriaus 𝑅𝑔𝑟 ir įėjimo kontūro rezistoriaus

𝑅1. Ši įtampa 𝑈(−) lygi:

𝑈(−) = 𝑅1 𝑅1 + 𝑅𝑔𝑟 𝑈𝑖š. (6.8)

6.3 pav. Neinvertuojančio stiprintuvo OS pagrindu jungimo schema

85

Idealaus OS diferencinė įėjimo įtampa ∆𝑈 lygi nuliui, taigi

𝑈įė = 𝑈(−) ir formulę (6.8) galima išreikšti taip:

𝑈𝑖š = 1 + 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 𝑈įė. (6.9)

Šia lygtimi nusakoma stiprintuvo paskirtis - stiprinti, nekeičiant

įėjimo signalo ženklo. Stiprintuvo su grįžtamo ryšio kontūru stipri-

nimo koeficientas lygus 𝐾 = 1 + 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 . Galima įrodyti, kad tokios

schemos įėjimo impedansas 𝑍įė labai didelis ir išreiškiamas formule:

𝑍įė ≈ 𝑍įė∗ 𝑅1 𝑅1 + 𝑅𝑔𝑟 𝐴, (6.10)

kur 𝑍įė∗ - realaus OS įėjimo impedansas (apytikriai 10MΩ eilės).

6.4 pav. Įtampos kartotuvo OS pagrindu principinė schema

6.5 pav. Diferencinio stiprintuvo OS pagrindu principinė schema

86

Taip pat lengva įrodyti, kad schemos 𝑍𝑖š išėjimo impedansas

artėja prie nulio, jei operacinio stiprintuvo su nutraukta kilpa stip-

rinimo koeficientas pasidaro labai didelis. Tokiu būdu OS, naudo-

jamas neinvertuojamoje schemoje, gali būti buferiu tarp įėjimo ir

išėjimo schemų.

Išskirtinis atvejis esti tada, kai 𝑅𝑔𝑟 = 0, o rezistoriaus 𝑅1 įėjimo

grandinėje nėra (6.4 pav.). Tada 𝑈𝑖š = 𝑈įė, 𝑍įė = 𝑍∗ ∙ 𝐴, 𝑍𝑖š = 𝑍𝑖š∗ 𝐴 .

𝑍𝑖š∗ - realaus OS išėjimo impedansas. Tokia schema vadinama

įtampos kartotuvu, kadangi jos įtampos stiprinimo koeficientas ly-

gus 1. Ši schema naudojama impedanso keitimui ir gali turėti labai

didelį galingumo stiprinimo koeficientą.

Diferencinis stiprintuvas

Diferencinė schema OS pagrindu (6.5 pav.) užtikrina signalų

sustiprinimą kiekviename iš diferencinių įėjimų 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 kartų. To

išdavoje išėjimo įtampa tampa lygi įtampų tarp dviejų įėjimo

signalų skirtumui, padaugintam iš perdavimo koeficiento:

𝑈𝑖š = 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 𝑈2 − 𝑈1 . (6.11)

Išvedame lygtį (6.11). Remdamiesi prielaida apie OS idealumą,

galime užrašyti tokią išraišką tiesioginio įėjimo įtampai:

𝑈(+) = 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 + 𝑅𝑔𝑟 𝑈2 . (6.12)

Iš įėjimo kontūro 1 lygties gauname:

𝑖1 = 𝑈1 − 𝑈(+) 𝑅1 . (6.13)

Išėjimo kontūrui:

𝑖𝑖š = − 𝑈𝑖š − 𝑈(+) 𝑅𝑔𝑟 . (6.14)

Sumavimo taško lygtis:

𝑖1 = 𝑖𝑔𝑟 . (6.15)

87

Įstatydami išraiškas (6.13) ir (6.14) į lygtį (6.15) ir atmesdami

𝑈(+), po pertvarkymo gauname lygtį (6.11).

Sumavimo schema

Sumatoriaus schema, sudaryta OS pagrindu, tai modifikacija

invertuojančios schemos dviem ar daugiau įėjimo signalų.

Kiekviena įėjimo įtampa 𝑈𝑖 prijungiama prie tiesioginį įėjimą per

atitinkamą rezistorių 𝑅𝑖 (6.6 pav.).

Pagal antrąjį Kirchhofo dėsnį visų srovių, tekančių į mazgą,

suma lygi nuliui, todėl taške 𝑈(−) srovių lygtis atrodo taip:

𝑖1 + 𝑖2 + 𝑖𝑔𝑟 = 0. (6.16)

Idealiame OS įėjimo ir slinkties srovės lygios nuliui.

Užrašykime formulę srovėms:

𝑖1 = 𝑈1 𝑅1 , (6.17)

𝑖2 = 𝑈2 𝑅2 , (6.18)

𝑖𝑔𝑟 = − 𝑈𝑖š 𝑅𝑔𝑟 . (6.19)

Įstatę gautas išraiškas į (6.16), gauname:

𝑈𝑖š = −𝑅𝑔𝑟 𝑈1 𝑅1 − 𝑅𝑔𝑟 𝑈2 𝑅2 . (6.20)

6.6 pav. Sumatoriaus OS pagrindu principinė schema

88

Jeigu 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅, tai sumatoriaus schemos lygtis atrodys taip:

𝑈𝑖š = −𝑅𝑔𝑟 /𝑅 𝑈1 + 𝑈2 . (6.21)

Integravimo schema

Integratoriaus OS pagrindu schema gaunama grįžtamo ryšio

invertuojančioje schemoje rezistorių pakeičiant kondensatoriumi

(6.7 pav.).

Žinoma, kad kondensatoriaus krūvis 𝑄 ir srovė 𝑖𝐶 per jį

išreiškiama formulėmis:

𝑄 = 𝐶 ∙ 𝑈, (6.22)

𝑖𝐶 =𝑑𝑄

𝑑𝑡. (6.23)

Įvertinant šiuos santykius, schemai 6.7 pav. gauname:

𝑖𝑔𝑟 = 𝐶𝑔𝑟 𝑑𝑈𝑖š 𝑑𝑡 . (6.24)

Idealiam OS 𝑖𝑔𝑟 = 𝑈įė 𝑅1 ir 𝑖1 = 𝑖𝑔𝑟 , iš to seka:

𝑈įė

𝑅1 = −𝐶𝑔𝑟

𝑑𝑈𝑖š

𝑑𝑡 , (6.25)

6.7 pav. Integratoriaus OS pagrindu principinė schema

89

arba integralinėje formoje:

𝑈𝑖š = −1

𝑅1𝐶𝑔𝑟 𝑈įė𝑑𝑡

𝑇𝑖

0, (6.26)

kur 𝑇𝑖 - integravimo trukmė.

Tokiu būdu, įtampos integratoriaus išėjime reikšmė

proporcinga įėjimo įtampos integralui, o mastelio koeficientas lygus

1 𝑅1 𝐶𝑔𝑟 ir išreiškiamas sek-1.

Jeigu įėjimo įtampa pastovi, tai formulė (6.26) atrodo taip:

𝑈𝑖š = −𝑈įė

𝑅1𝐶𝑔𝑟𝑡, (6.27)

Lygtis (6.27) aprašo nuolaidžią liniją − 𝑈įė 𝑅 𝐶 . Kai 𝑈įė =

−1V, 𝐶 = 1μF, 𝑅 = 1MΩ, nuolydis lygus 1V/sek. Išėjimo įtampa

tiesiškai didės nurodytu greičiu tol, kol OS nepasieks įsotinimo

režimo.

Diferencijavimo schema

Diferencijavimo schema, sudaryta OS pagrindu, panaši į

integratorių, kuriame rezistorius ir kondensatorius sukeisti

vietomis (6.8 pav.).

Jeigu į schemos įėjimą prijungiama įtampa 𝑈įė, ji praktiškai visa

krinta ant kondensatoriaus, nes diferencinio stiprintuvo tiesioginio

6.8 pav. Diferenciatoriaus OS pagrindu principinė schema

90

ir netiesioginio įėjimo potencialai sutampa. Srovė, tekanti per

kondensatorių lygi:

𝑖1 = 𝐶1𝑑𝑈įė

𝑑𝑡. (6.28)

Kadangi OS įėjimo varža pakankamai didelė ir OS įėjimo srovę

galima laikyti lygią nuliui, visa kondensatoriaus srovė prateka per

rezistorių 𝑅𝑔𝑟 :

𝑖𝑔𝑟 = −𝑖1 = 𝐶1𝑑𝑈įė

𝑑𝑡. (6.29)

Išėjimo signalas apibrėžiamas įtampos kritimu grįžtamo ryšio

varžoje 𝑅𝑔𝑟 :

𝑈𝑖š = 𝑖𝑔𝑟 𝑅𝑔𝑟 = −𝑅𝑔𝑟𝐶1𝑑𝑈įė

𝑑𝑡. (6.30)

Tokiu būdu, išėjimo įtampa proporcinga įėjimo signalo kitimo

greičiui.




laboratorinis modulis Lab6A operacinio stiprintuvo

LM224N - tipo tyrimui.

4. DARBO UŽDUOTIS


6.9 pav. Modulio Lab6A, skirto operacinio stiprintuvo charakteristikų


91



6.9 pav.





1 užduotis. Invertuojančio stiprintuvo perdavimo charakteristikos

gavimas

Invertuojančio stiprintuvo charakteristikų tyrimui naudojama


Pastaba: Visose schemose su OS naudojami įtampos

stabilizatoriai DA1 L78L09 (išėjimo įtampa +9V) ir DA3 L79L09

(išėjimo įtampa -9V) maitinimo įtampos sumažinimui nuo ±15V

iki ±9V. Tai būtina OS išėjimo signalo kitimo diapazono

suderinimui su NI ELVIS II maketinės plokštės matavimo

ribomis (±10V).


92

4.1.1. VP valdymo elementais nustatykite įėjimo signalo keitimo

ruožą (rekomenduojamos reikšmės 𝑈įė.𝑚𝑖𝑛 = −1,2V, 𝑈įė.𝑚𝑎𝑥 = 1,2V)

ir išėjimo signalo keitimo ribas (rekomenduojamos reikšmės

𝑈𝑖š.𝑚𝑖𝑛 = −10V ir 𝑈𝑖š.𝑚𝑎𝑥 = 10V). Nuspauskite mygtuką

„Matavimas“. Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys

invertuojančio stiprintuvo perdavimo charakteristikos vaizdas.

Nukopijuokite gautą grafiką į ataskaitos puslapį.

4.1.2. Iš perdavimo charakteristikos nustatykite schemos išėjime

teigiamą 𝑈𝑎𝑝𝑟 + ir neigiamą 𝑈𝑎𝑝𝑟 − signalo apribojimo įtampas,

pasinaudodami horizontalia vizyro linija, perstumdami ją

slankiojančiu VP reguliatoriumi. Rezultatą įrašykite į ataskaitą.

4.1.3. Nustatykite invertuojančio stiprintuvo stiprinimo

koeficientą. Tam tikslui minėtomis vizyro linijomis nustatykite

dviejų bet kurių taškų koordinates nuožulnioje perdavimo

charakteristikos atkarpoje ir atlikite skaičiavimus pagal formulę

𝐾𝑠𝑡 = 𝑈𝑖š2 − 𝑈𝑖š1 𝑈įė2 − 𝑈įė1 . Rezultatus įrašykite į ataskaitą.



pav.).

6.11 pav. Elektrinė jungimo schema invertuojančio

stiprintuvo charakteristikų tyrimui

93

2 užduotis. Invertuojančio stiprintuvo darbo tyrimas

4.2.1. VP valdymo elementais nustatykite tokį matavimo režimą:

signalo forma - sinusinė, signalo dažnis - 200Hz. Įėjimo signalo

amplitudė parenkama tokio dydžio, kad išėjimo signalas, matomas

grafiniame VP indikatoriuje, neturėtų iškraipymų ir būtų patogus

stebėjimui ir matavimui. Nukopijuokite gautą vaizdą į mainų

buferį, o po to į ataskaitos puslapį.

4.2.2. Pasinaudodami įėjimo ir išėjimo signalų vaizdais

grafiniuose VP indikatoriuose, horizontalia vizyro linija nustatykite

įėjimo 𝑈įė.𝑚 ir išėjimo 𝑈𝑖š.𝑚 signalų amplitudes. Iš gautų duomenų

paskaičiuokite invertuojančio stiprintuvo stiprinimo koeficientą

pagal formulę: 𝐾 = 𝑈𝑖š.𝑚 𝑈įė.𝑚 .

Pastaba: Signalo amplitudės nustatymui reikia išmatuoti jo

mažiausią 𝑢𝑚𝑖𝑛 ir didžiausią 𝑢𝑚𝑎𝑥 momentines reikšmes ir

atlikti skaičiavimus pagal formulę: 𝑈𝑚 = 𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛 2 .

Pasinaudodami grafinių VP indikatorių parodymais,

palyginkite invertuojančio stiprintuvo įėjimo ir išėjimo signalų


94

fazes. Padarykite išvadą apie signalo fazės pakitimą ir įrašykite ją į

ataskaitą.

4.2.3. Paskaičiuokite invertuojančio stiprintuvo stiprinimo

koeficientą. Skaičiavimuose pasinaudokite formule 𝐾 = 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 .

Rezultatus įrašykite į ataskaitą.


6.14 pav. Elektrinė jungimo schema neinvertuojančio stiprintuvo

charakteristikų tyrimui

95

Palyginkite stiprinimo koeficientų reikšmes, gautas iš

perdavimo charakteristikos (4.1.3 p.), iš matavimo rezultatų (4.2.2

p.) ir paskaičiuotojo (4.2.3 p.). Padarykite išvadą ir įrašykite ją į

ataskaitą.




3 užduotis. Neinvertuojančio stiprintuvo perdavimo

charakteristikos gavimas

Neinvertuojančio stiprintuvo charakteristikų tyrimui

naudojama schema, parodyta 6.14 pav.


ruožą (rekomenduojamos reikšmės apie 𝑈įė.𝑚𝑖𝑛 = −1,2V, 𝑈įė.𝑚𝑎𝑥 =

1,2V) ir išėjimo signalo keitimo ribas (rekomenduojamos reikšmės

apie 𝑈𝑖š.𝑚𝑖𝑛 = −10V, 𝑈𝑖š.𝑚𝑎𝑥 = 10V). Nuspauskite mygtuką


neinvertuojančio stiprintuvo perdavimo charakteristikos vaizdas.

Nukopijuokite gautą charakteristiką į ataskaitos puslapį.

Pav.6.15. VP vaizdas, vykdant 4 užduotį


96

4.3.2. Iš perdavimo charakteristikos nustatykite teigiamą 𝑈𝑎𝑝𝑟 + ir

neigiamą 𝑈𝑎𝑝𝑟 − signalo apribojimo įtampas schemos išėjime, tam

tikslui pasinaudodami horizontalią vizyro liniją, stumdomą

slankiojančiu VP reguliatoriumi. Rezultatus įrašykite į ataskaitą.

Nustatykite schemos stiprinimo koeficientą pagal metodiką,

aprašytą 4.1.3 p. Gautą rezultatą įrašykite į ataskaitą.




4 užduotis. Neinvertuojančio stiprintuvo darbo tyrimas

4.4.1. VP valdymo elementų pagalba nustatykite tokį matavimo

režimą: signalo forma - sinusinė, signalo dažnis - 200Hz. Įėjimo

signalo amplitudė parenkama tokio dydžio, kad grafiniame VP

indikatoriuje stebimas išėjimo signalas nebūtų iškreiptas ir būtų

patogus stebėjimui ir matavimui. Gautą išėjimo signalo vaizdą

nukopijuokite į keitimo buferį ir po to įterpkite į ataskaitos puslapį.

Pasinaudodami grafinių VP indikatorių parodymais,

palyginkite neinvertuojančio stiprintuvo įėjimo ir išėjimo signalų


97

fazes. Padarykite išvadą apie signalo fazės pasikeitimo pobūdį ir

užrašykite ją į ataskaitą.

4.4.2. Paskaičiuokite neinvertuojančio stiprintuvo stiprinimo

koeficientą. Skaičiavimuose pasinaudokite formule 𝐾 = 𝑅𝑔𝑟 𝑅1 .

Rezultatus užrašykite į ataskaitą.

4.4.3. Iš oscilogramos horizontalia VP vizyro linija nustatykite

įėjimo 𝑈įė.𝑚 ir išėjimo 𝑈𝑖š.𝑚 signalų amplitudes. Paskaičiuokite

neinvertuojančio stiprintuvo stiprinimo koeficientą pagal formulę:

𝐾 = 𝑈𝑖š.𝑚 𝑈įė.𝑚 . Rezultatą įrašykite į ataskaitą.

Palyginkite stiprinimo koeficientų reikšmes, gautą iš perdavimo

charakteristikos (4.3.2 p.), gautą iš matavimo rezultatų (4.4.3 p.) ir

gautą iš schemos elementų parametrų (4.4.2 p.). Padarykite išvadą

ir įrašykite ją į ataskaitą.




5 užduotis. Įtampos integratoriaus darbo tyrimas

Įtampos integratoriaus darbo tyrimui naudojama elektrinę

schemą, parodytą 6.17 pav.


signalo forma - stačiakampė, signalo dažnis - 200Hz. Signalo

6.17 pav. Elektrinė jungimo schema įtampos integratoriaus

darbo tyrimui

98

amplitudė integratoriaus įėjime parenkama tokio dydžio, kad

išėjimo signalas nebūtų iškreiptas ir būtų patogus stebėjimui ir

matavimui.

Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys išėjimo signalas

(integravimo rezultatas), kurio forma artima trikampei.

Nukopijuokite gautą išėjimo signalo vaizdą į keitimo buferį, o po to

įterpkite į ataskaitos puslapį.

4.5.2. Pasinaudodami išėjimo signalo vaizdu iš grafinio VP

indikatoriaus, nustatykite ir įrašykite į ataskaitą jo kitimo greitį.

Tam tikslui horizontalia vizyro linija išmatuokite maksimalią (𝑢𝑚𝑎𝑥 )

ir minimalią (𝑢𝑚𝑖𝑛 ) momentines signalo reikšmes ir paskaičiuokite

signalo amplitudės (𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛 ) santykį su jo kitimo pusperiodžiu

𝑇/2: ∆𝑈𝑖š

∆𝑡 = −

2 𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛

𝑇.

Paskaičiuokite ir įrašykite į atskaitą išėjimo signalo kitimo greitį

pagal schemos komponentų parametrų reikšmes, pasinaudodami

idealaus integratoriaus formule:


99

∆𝑈𝑖š

∆𝑡 = −

𝑈įė

𝑅1𝐶.

Palyginkite integratoriaus išėjimo signalo kitimo greitį su

greičiu, gautu iš matavimo rezultatų ir paskaičiuotu. Padarykite

išvadą apie integratoriaus idealumą.

4.5.3. Gaukite ir įrašykite į ataskaitą integratoriaus išėjimo signalo

oscilogramas, kai įėjimo įtampa yra harmoninė, trikampė ir

pjūklinė. Paaiškinkite gautus rezultatus. Esant harmoninės formos

įėjimo signalui, įvertinkite fazių skirtumą tarp integratoriaus įėjimo

ir išėjimo signalų. Paaiškinkite gautą rezultatą.




6 užduotis. Įtampos diferencijatoriaus darbo tyrimas

Įtampos diferencijatoriaus darbo tyrimui naudojama elektrinę

schemą, parodytą pav.6.19.

4.6.1. VP valdymo elementų pagalba nustatykite tokį matavimo

režimą: signalo forma - trikampė, signalo dažnis 200Hz. Signalo

amplitudė integratoriaus įėjime parenkama tokio dydžio, kad

išėjimo signalas nebūtų iškreiptas ir būtų patogus stebėjimui ir

matavimui.

6.19 pav. Elektrinė jungimo schema įtampos diferencija-

toriaus darbo tyrimui

100

Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys išėjimo signalas

(diferencijavimo rezultatas), kurio forma artima stačiakampei.

Nukopijuokite gautą išėjimo signalo vaizdą į ataskaitos puslapį.

4.6.2. Pasinaudodami išėjimo signalo vaizdu iš grafinio

indikatoriaus, horizontalia VP vizyro linija nustatykite jo amplitudę

𝑈𝑖š.𝑚 nusistovėjusio signalo atkarpoje. Rezultatą įrašykite į

ataskaitą.

4.6.3. Nustatykite ir įrašykite į ataskaitą trikampės formos įėjimo

signalo kitimo greitį, skaičiavimams naudodami įėjimo signalo

padvigubintos amplitudės (2𝑈𝑚 ) santykį su išėjimo įtampos kitimo

pusperiodžiu (𝑇/2): ∆𝑈įė

∆𝑡 = −

4𝑈𝑚

𝑇.

4.6.4. Iš užduotų schemos parametrų ir rasto 4.6.3 p. įėjimo

signalo kitimo greičio paskaičiuokite išėjimo įtampos amplitudę

pagal idealaus diferencijatoriaus formulę:

𝑈𝑖š = −𝑅𝑔𝑟𝐶∆𝑈įė

∆𝑡.

4.6.5. Palyginkite matavimo (4.6.2 p.) ir skaičiavimų (4.6.4 p.)

rezultatus. Padarykite išvadą apie įtampos diferencijatoriaus

idealumo laipsnį.

4.6.6. Gaukite ir įterpkite į ataskaitą diferencijatoriaus išėjimo

signalo vaizdus, įėjimo įtampai esant sinusinės, stačiakampės ir

trikampės formos. Paaiškinkite gautus rezultatus.

4.6.7. Įvertinkite fazių skirtumą tarp diferencijatoriaus įėjimo ir

išėjimo sinusinių signalų.




Kas yra operacinis stiprintuvas?

101

Išvardinkite pagrindines operacinio stiprintuvo charakteris-

tikas ir jų matavimo metodus.

Pateikite stiprintuvų OS pagrindu schemas ir perdavimo ko-

eficiento skaičiavimo formules.

Koks invertuojančio stiprintuvo OS pagrindu fazių skirtu-

mas tarp įėjimo ir išėjimo signalų? Kodėl?

Koks neinvertuojančio stiprintuvo fazių skirtumas tarp įėji-

mo ir išėjimo signalų? Kodėl?

Kas apsprendžia stiprintuvo OS pagrindu išėjimo įtampos

nuolatinę dedamąją dalį?

Pateikite analoginių signalų sumatoriaus schemą.

Pateikite įtampos integratoriaus schemą ir įėjimo bei išėjimo

signalų kitimo laike diagramas.

Kaip apskaičiuoti integratoriaus išėjimo signalo kitimo grei-

tį?

Pateikite įtampos diferencijatoriaus schemą ir išėjimo signalo

skaičiavimo lygtis.

Kaip diferencijatoriaus išėjimo įtampa priklauso nuo įėjimo

įtampos kitimo greičio?

Kokiais atvejais elektrinių schemų OS pagrindu apibūdini-

mui galima pasinaudoti formulėmis, nusakančiomis idea-

laus OS darbą?

Kokiu tikslumu darbe nustatyti operacinio stiprintuvo pa-

grindu sudarytų schemų parametrai? Nuo ko gali priklausy-

ti gautų rezultatų kokybė?

102


ANALOGINIŲ ĮTAMPOS KOMPARATORIŲ CHARAKTERIS-

TIKŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

susipažinimas su analoginių įtampos komparatorių charak-

teristikomis;

vienaslenksčio komparatoriaus darbo tyrimas;

histerezinio komparatoriaus darbo tyrimas.

2. TEORINĖ DALIS

analoginių komparatorių paskirtis, veikimo principas ir kla-

sifikacija [1];

operacinio stiprintuvo, naudojamo kaip analoginių signalų

palyginimo schema, darbo ypatybės [4];

vienaslenkstinių komparatorių, sukurtų OS pagrindu, suda-

rymo principai ir charakteristikos [4];

histerezinių komparatorių, sukurtų OS pagrindu, sudarymo

principai ir charakteristikos [4].

Komparatoriumi vadinamas įrenginys, naudojamas dviejų ana-

loginių signalų palyginimui, iš kurių vienas gali būti užduotas kaip

etaloninis. Įrenginio išėjime suformuojamos tik dvi signalo reikš-

mės: išėjimo įtampa bus aukšto lygio 𝑈𝑎𝑙 , jei skirtumas tarp įėjimo

signalų teigiamas, ir žemo lygio 𝑈ž𝑙 , jei šis skirtumas neigiamas.

Šios sąlygos užrašomos tokiu būdu:

𝑈𝑖š = 𝑈𝑎𝑙 𝑗𝑒𝑖𝑔𝑢 𝑈įė1 > 𝑈įė2 𝑎𝑟𝑏𝑎 ∆𝑈įė > 0

𝑈ž𝑙 𝑗𝑒𝑖𝑔𝑢 𝑈įė1 < 𝑈įė2 𝑎𝑟𝑏𝑎 ∆𝑈įė < 0 . (7.1)

Bendru atveju įtampa 𝑈𝑖š gali skirtis ir dydžiu, ir ženklu. Prak-

tikoje dažniausiai naudojami įrenginiai, formuojantys išėjime arba

priešingo poliškumo įtampas, praktiškai lygių absoliučių reikšmių,

103

arba vienodo poliškumo, bet skirtingo dydžio įtampas. Pirmas atve-

jis būdingas naudojant įrenginį kaip operacinio stiprintuvo palygi-

nimo schemą, antras - naudojant specializuotas integralines sche-

mas.

Galima pasakyti, kad komparatoriaus įėjimo signalas yra ana-

loginis, o išėjimo - skaitmeninis, todėl komparatoriai dažnai naudo-

jami ryšio elementais tarp analoginių ir skaitmeninių įrenginių.

7.1 pav. parodyta invertuojančio stiprintuvo be grįžtamojo ryšio

schema ir jo perdavimo charakteristika.

Kol įėjimo signalas tenkina sąlygą:

𝑈𝑟𝑖𝑏 −

𝐾𝑂𝑆< 𝑈įė <

𝑈𝑟𝑖𝑏 +

𝐾𝑂𝑆, (7.2)

kur 𝑈𝑟𝑖𝑏 + ir 𝑈𝑟𝑖𝑏 − - OS išėjimo signalo teigiamas ir neigiamas apri-

bojimo lygiai, o 𝐾𝑂𝑆 - OS stiprinimo koeficientas. Schema dirba tie-

siniu režimu ir išėjimo signalas kinta proporcingai įėjimo signalui.

Pažeidus sąlygą (7.2), OS pereina į apribojimo režimą ir išėjimo

įtampa gali būti lygi vienai iš dviejų reikšmių: 𝑈𝑎𝑙 = 𝑈𝑟𝑖𝑏 + arba

𝑈ž𝑙 = 𝑈𝑟𝑖𝑏 −. Tegu OS išėjimo signalo apribojimo lygių absoliučios

reikšmės yra 𝑈𝑟𝑖𝑏 + = 𝑈𝑟𝑖𝑏 − = 𝑈𝑟𝑖𝑏 , tada, naudojant OS kaip kom-

paratorių, turi būti patenkinama sąlyga:

∆𝑈įė > 𝑈𝑟𝑖𝑏

𝐾𝑂𝑆 . (7.3)

7.1 pav. Invertuojančio stiprintuvo schema (a) ir

jo perdavimo charakteristika (b)

104

Nagrinėjamoje schemoje (7.1 pav.) etaloninis įtampos lygis, su

kuriuo lyginamas įėjimo signalas, lygus nuliui, ir schema dažnai

vadinama signalo nulio detektoriumi arba įtampos perėjimo per

nulį nustatymo schema.

Įėjimo signalo reikšmių diapazonas, atitinkantis sąlygą (7.2),

yra komparatoriaus neapibrėžtumo zona ir apsprendžia jo paklai-

dą. Šios paklaidos absoliutus dydis lygus:

∆𝑢 > 𝑈𝑟𝑖𝑏

𝐾𝑂𝑆 . (7.4)

Komparatoriaus paklaidos sumažinimui reikia sumažinti įėjimo

įtampų neapibrėžtumo intervalą. Tai galima padaryti dviem būdais:

panaudojant OS su dideliu stiprinimo koeficientu;

įvedant į schemą teigiamą grįžtamą ryšį (TGR).

Iš teorijos žinoma, kad, įvedus TGR, stiprintuvo perdavimo ko-

eficientas 𝐾𝑇𝐺𝑅 nusakomas formule:

𝐾𝑇𝐺𝑅 =𝐾𝑂𝑆

1−𝐾𝑂𝑆 𝑏𝐺𝑅, (7.5)

kur 𝐾𝑂𝑆 - perdavimo koeficientas schemos be grįžtamo ryšio (GR), o

𝑏𝐺𝑅 - GR grandinės perdavimo koeficientas.

Iš (7.5) matome, kad, esant 𝑏𝐺𝑅 = 1 𝐾𝑂𝑆 , schemos stiprinimo

koeficientas lygus begalybei, o komparatoriaus paklaida - nuliui.

Praktiškai tokią sąlygą sunku įvykdyti dėl išsklaidytų parametrų ir

nestabilių OS charakteristikų, todėl komparatoriaus paklaidos ne-

įmanoma visiškai išvengti, bet galima ją žymiai sumažinti.

Vienaslenkstis komparatorius

Vienaslenksčiais vadinami palyginimo įrenginiai, kuriuose

naudojamo stiprintuvo stiprinimo koeficientas visada išlieka tei-

giamas (𝐾𝑂𝑆 > 0). Tokio įrenginio darbe visada susidaro įėjimo

įtampos neapibrėžtumo sritis, t.y., egzistuoja įėjimo įtampos lygio

nustatymo paklaida. Kaip vienaslenkstis palyginimo įrenginys gali

būti panaudotas OS be grįžtamo ryšio grandinės arba su teigiamu

105

grįžtamu ryšiu, kurio GR perdavimo koeficientas patenkina nely-

gybę:

𝑏𝐺𝑅 ≤1

𝐾𝑂𝑆. (7.6)

Analizuojant schemą, parodytą pav.7.1a, galima pasakyti, kad ji

suveikia, kai įtampa tarp OS inversinio ir neinversinio įėjimų tampa

nuline. Panaudojant šią schemos savybę, galima jos pagrindu su-

kurti įrenginį, skirtą įėjimo įtampos palyginimo su iš anksto užduo-

tu etaloniniu įtampos lygiu.

Tam pakanka inversinį OS įėjimą (7.1a pav.) įžeminti per 𝐸𝑒𝑡 šal-

tinį, kurio absoliutus dydis ir ženklas atitinka etaloninį palyginimo

lygį (7.2a pav.). Idealiu atveju (𝑅įė → ∞), kai įėjimo įtampa 𝑈įė ir po-

liškumas bus lygūs etaloninio šaltinio 𝐸𝑒𝑡 įtampai ir poliškumui,

įtampa tarp inversinio ir neinversinio įėjimų pasidaro lygi nuliui.

7.2bc pav. parodytos komparatoriaus perdavimo charakteristikos

atitinkamai atvejams 𝐸𝑒𝑡 > 0 ir 𝐸𝑒𝑡 < 0. Įtampa 𝐸𝑒𝑡 vadinama paly-

ginimo įrenginio suveikimo slenksčiu.

Jeigu schemoje 7.2a pav. vietoj etaloninės įtampos šaltinio pa-

naudotume antrą įėjimo įtampą, gautume dviejų įtampų palygini-

mo schemą. Nepaisydami paklaidos dėl įėjimo įtampos neapibrėž-

tumo srities, galima pasakyti, kad komparatoriaus perjungimas

įvyks, kai įėjimo įtampos bus lygios tiek absoliučiu dydžiu, tiek ir

7.2 pav. Vienaslenksčio komparatoriaus su perslinktu su-

veikimo slenksčiu schema (a) ir jo perdavimo

charakteristikos, kai 𝐸𝑒𝑡 > 0 (b) ir 𝐸𝑒𝑡 < 0 (c)

106

ženklu. Tokio įrenginio schema ir laikinės diagramos, pa-

aiškinančios jo darbą, parodytos 7.3 pav.

Histerezinis komparatorius

Histerezinėmis vadinamos palyginimo schemos, kurių perda-

vimo charakteristikos nevienareikšmės. Pritaikant OS, tai įmanoma

tik tuo atveju, jei stiprintuvas turi TGR , kurio perdavimo koeficien-

tas patenkina sąlygą:

𝑏𝐺𝑅 >1

𝐾𝑂𝑆. (7.7)

7.4 pav. parodyta OS perdavimo charakteristika kai 𝑏𝐺𝑅 <

1 𝐾𝑂𝑆 , 𝑏𝐺𝑅 = 1 𝐾𝑂𝑆 ir 𝑏𝐺𝑅 > 1 𝐾𝑂𝑆 .

Akivaizdu, kad TGR grandinės perdavimo koeficiento padidė-

jimas faktiškai pasuka OS galutinę charakteristiką apie koordinačių

pradžią pagal laikrodžio rodyklę. Jeigu 𝑏𝐺𝑅 = 1 𝐾𝑂𝑆 , tai perdavimo

7.3 pav. Vienaslenkstė dviejų įtampų palyginimo schema (a) ir

laiko diagramos (b), paaiškinančios jos darbą

7.4 pav. OS perdavimo charakteristika su TGR kai 𝑏𝐺𝑅 < 1 𝐾𝑂𝑆

(1), 𝑏𝐺𝑅 = 1 𝐾𝑂𝑆 (2) ir 𝑏𝐺𝑅 > 1 𝐾𝑂𝑆 (3)

107

charakteristikoje (priklausomybė 3) atsiras nevienareikšmio atitiki-

mo tarp įėjimo ir išėjimo įtampų sritis - histerezė. Tai leidžia sukurti

įrenginius, kuriuose suveikimo ir atleidimo įtampos tarpusavyje

nelygios. Tokio palyginimo įrenginio schema ir jo perdavimo cha-

rakteristika parodyti pav.7.5.

Darome prielaidą, kad kažkuriuo momentu schemos įėjimo

įtampa lygi nuliui, o jos išėjime yra teigiamo poliškumo įtampa

𝑈𝑟𝑖𝑏 +, tada į neinversinį OS įėjimą per grįžtamojo ryšio rezistorių 𝑅1

praeina teigiama įtampa:

𝑈įė.𝑛𝑖𝑛𝑣 =𝑈𝑟𝑖𝑏 𝑅2

𝑅1+𝑅2. (7.8)

Tokia schemos būsena yra stabili ir išliks tokia tol, kol kintanti

įėjimo įtampa 𝑈įė nepasieks tokio paties lygio. Tuo momentu OS

išėjimo įtampa pakis nuo 𝑈𝑟𝑖𝑏 + iki 𝑈𝑟𝑖𝑏 −, o neinversiniame OS įėji-

me įtampa pasikeis dydžiu:

𝑈įė.𝑛𝑖𝑛𝑣 = −𝑈𝑟𝑖𝑏 𝑅2

𝑅1+𝑅2. (7.9)

Tokia būsena bus stabili tol, kol įėjimo įtampa 𝑈įė nesumažės iki

šio lygio.

Taigi, suveikimo ir atleidimo įtampos nagrinėjamoje schemoje

nustatomos tokiomis formulėmis:

𝑈𝑠𝑢𝑣 = +𝑈𝑟𝑖𝑏 𝑅2

𝑅1+𝑅2, (7.10)

7.5 pav. Histerezinio komparatoriaus schema (a) ir jo perdavi-

mo charakteristika (b)

108

𝑈𝑎𝑡𝑙 = −𝑈𝑟𝑖𝑏 𝑅2

𝑅1+𝑅2. (7.11)

Iš šių formulių matyti, kad, esant lygioms apribojimo įtampų

absoliučioms reikšmėms, OS išėjime slenkstinės įtampos lygios dy-

džiu, bet yra priešingų ženklų, t.y., įrenginio perdavimo charakte-

ristika simetriška koordinačių pradžios atžvilgiu.

Įvairių suveikimo ir atleidimo įtampų OS TGR grandinėje ga-

vimui reikia panaudoti keturpolį, kurio perdavimo koeficientas pri-

klauso nuo jo įėjimo įtampos poliškumo. Tokio įrenginio pavyzdys

parodytas 7.6a pav.

Šiuo atveju TGR grandinės perdavimo koeficientas teigiamoms

OS išėjimo įtampoms praktiškai nepriklauso nuo šios įtampos lygio

ir nustatomas įtampos kritimu diode D, tiesiogine kryptimi. Esant

neigiamoms išėjimo įtampoms diodas D uždarytas ir paleidimo

įtampa nustatoma kaip ir schemoje 7.5a pav, t.y., formule (7.11). 7.6b

pav. parodyta šios palyginimo schemos perdavimo charakteristika.

Paveiksle parodyta, kad ji nesimetriška koordinačių pradžios at-

žvilgiu.

Papildomų maitinimo šaltinių pagalba palyginimo schemos

perdavimo charakteristiką galima padaryti asimetrišką (kaip ir vie-

naslenksčio įrenginio atveju). Tokio sprendimo pavyzdys parodytas

7.7a pav. Čia maitinimo šaltinis 𝐸𝑝į prijungtas prie neinversinio OS

įėjimo per rezistorių 𝑅𝑑 . Neinversinio įėjimo įtampa lygi

𝑈įė.𝑛 =𝐸𝑝 į/𝑅𝑑 +𝑈𝑖š/𝑅2

1/𝑅1+1/𝑅2+1/𝑅𝑑. (7.12)

7.6 pav. Histerezinio komparatoriaus su netiesine TGR schema

(a) ir jo perdavimo charakteristika (b)

109

Tada komparatoriaus suveikimo ir atleidimo įtampos nustato-

mos formulėmis:

𝑈𝑠𝑢𝑣 =𝐸𝑝 į/𝑅𝑑 +𝑈𝑟𝑖𝑏 /𝑅2

1/𝑅1+1/𝑅2+1/𝑅𝑑, (7.13)

𝑈𝑎𝑡𝑙 =𝐸𝑝 į/𝑅𝑑−𝑈𝑟𝑖𝑏 /𝑅2

1/𝑅1+1/𝑅2+1/𝑅𝑑. (7.14)

Histerezinių komparatorių panaudojimas leidžia žymiai page-

rinti įtampų palyginimo patikimumą esant išoriniams trikdžiams.

Pav.7.8 parodytos vienaslenksčio ir histerezinio komparatorių darbo

diagramos, kai įėjimo signale yra ir aukšto dažnio trikdžių.

Akivaizdu, kad, panaudojus vienaslenkstinę schemą, įrenginio

išėjime bus suformuoti keli išėjimo impulsai (taip vadinamas išėji-

mo įtampos „kratinys“), trukdantys gauti vienareikšmį rezultatą.

Panaudojant histerezinį komparatorių su teisingai parinktomis su-

veikimo ir paleidimo įtampomis, to pavyksta išvengti ir išėjime

gaunamas vienareikšmis palyginimo rezultatas




laboratorinis modulis Lab7A analoginių įtampos kompara-

torių LF353P - tipo charakteristikų tyrimui.

7.7 pav. Histerezinio komparatoriaus su persislinkusia charak-

teristika schema (a) ir jo perdavimo charakteristika (b)

110

4. DARBO UŽDUOTIS




7.9 pav.


Po susipažinimu su darbo tikslu nuspauskite mygtuką „Pradėti



7.9 pav. Modulio Lab7A, skirto operacinio stiprintuvo charakteristikų


7.8 pav. Komparatorių darbo diagramos: vienaslenksčio (b) ir histe-

rezinio (c) komparatorių išėjimo signalai, kai įėjime yra sig-

nalas su trikdžiais (a)

111

1 užduotis. Vienaslenksčio komparatoriaus perdavimo


Vienaslenksčio komparatoriaus charakteristikų tyrimui



ruožą (rekomenduojamos reikšmės 𝑈įė.𝑚𝑖𝑛 = −10V, 𝑈įė.𝑚𝑎𝑥 = 10V) ir

išėjimo signalo kitimo ribas (rekomenduojamos reikšmės 𝑈𝑖š.𝑚𝑖𝑛 =

−10V, 𝑈𝑖š.𝑚𝑎𝑥 = 10V).

4.1.2. Slankiojančiu reguliatoriumi nustatykite komparatoriaus

suveikimo slenkstį 𝑈𝑠.𝑠 = 0 V. Nuspauskite mygtuką “Matavimas”.

Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys komparatoriaus perdavimo

charakteristikos vaizdas. Nukopijuokite gautą grafiką į ataskaitos

puslapį.

4.1.3. Iš perdavimo charakteristikos nustatykite komparatoriaus

teigiamos 𝑈𝑖š+ ir neigiamos 𝑈𝑖š− išėjimo charakteristikų reikšmes.

Tam pasinaudokite horizontalia vizyro linija, stumdoma

slankiojančiu reguliatoriumi "𝑌" pagalba. Rezultatus įrašykite į

ataskaitą.


112

4.1.4. Nustatykite įėjimo signalo dydį, prie kurio komparatorius

perjungiamas. Tam panaudokite vertikalią vizyro liniją, stumdomą

slankiojančiu reguliatoriumi "𝑋". Rezultatų tikslumo pagerinimui

reikia nustatyti įėjimo signalo (𝑈įė.𝑚𝑖𝑛 , 𝑈įė.𝑚𝑎𝑥 ) keitimo sritį, patogų

perdavimo charakteristikos stebėjimui, ir dar kartą nuspausti

mygtuką „Matavimas“. Rezultatus įrašykite į ataskaitą. Palyginkite

gautą reikšmę su nustatytu komparatoriaus suveikimo slenksčiu

𝑈𝑠.𝑠.

4.1.5. Pakartokite 4.1.2 - 4.1.4 p.p., nustačius suveikimo slenksčio

reikšmes – 2,5V ir +1,7V.



pav.).

2 užduoties. Vienaslenksčio komparatoriaus darbo tyrimas


signalo forma - sinusinė, signalo dažnis - 200Hz, įėjimo signalo

amplitudė 7V.

4.2.2. Slankiojančiu reguliatoriumi nustatykite komparatoriaus

𝑈𝑠𝑢𝑣 = 0 suveikimo slenkstį. Grafiniame indikatoriuje pasirodys

komparatoriaus įėjimo ir išėjimo signalų vaizdai.

4.2.3. Nukopijuokite šiuos signalų vaizdus į ataskaitą.

7.11 pav. Vienaslenksčio komparatoriaus charakteristikų

tyrimo elektrinė jungimo schema

113

Pasinaudodami įėjimo signalo vaizdu grafiniame VP

indikatoriuje, horizontalia vizyrio linija nustatykite įėjimo įtampos

𝑈įė.𝑠𝑢𝑣 slenksčio reikšmę. Rezultatą įrašykite į ataskaitą.

4.2.4. Pakartokite 4.2.2 - 4.2.3 p.p., nustačius suveikimo slenksčio

reikšmes – 5V ir +5V.

4.2.5. Pakartokite vienaslenksčio komparatoriaus darbo tyrimą,

esant kitoms įėjimo signalo formoms (trikampei, stačiakampei,

pjūklui).




3 užduotis. Histerezinio komparatoriaus perdavimo


Histerezinio komparatoriaus charakteristikų tyrimui



sritį (rekomenduojamos reikšmės 𝑈įė.𝑚𝑖𝑛 = −10V, 𝑈įė.𝑚𝑎𝑥 = 10V) ir

išėjimo signalo kitimo ribas (rekomenduojamos reikšmės 𝑈𝑖š.𝑚𝑖𝑛 =

−10V, 𝑈𝑖š.𝑚𝑎𝑥 = 10V).

Pav.7.12. VP vaizdas, vykdant 2 užduotį


114

4.3.2. Slankiojančiu reguliatoriumi nustatykite perdavimo

charakteristikos šaltinio įtampą 𝑈𝑝į = 0V. Nuspauskite mygtuką


komparatoriaus perdavimo charakteristikos vaizdas. Skirtingai nei

vienaslenkstis komparatorius, histerezinis turi du perjungimo

lygius: suveikimo įtampą (𝑈𝑠𝑢𝑣 ), monotoniškai didinant įėjimo

signalą, ir atleidimo įtampą (𝑈𝑎𝑡𝑙 ), monotoniškai mažinant įėjimo

signalą. Nukopijuokite perdavimo charakteristikos vaizdą į

ataskaitą.

4.3.3. Iš perdavimo charakteristikos nustatykite komparatoriaus

teigiamą 𝑈𝑖š+ ir neigiamą 𝑈𝑖š− išėjimo charakteristikas, o taip pat

komparatoriaus perjungimo lygius 𝑈𝑠𝑢𝑣 ir 𝑈𝑎𝑡𝑙 . Rezultatus įrašykite

į ataskaitą.

Paskaičiuokite komparatoriaus suveikimo ir paleidimo įtampas

pagal šias formules:

𝑈𝑠𝑢𝑣 =𝑈𝑝į/𝑅2 + 𝑈𝑖š+/𝑅4

1/𝑅2 + 1/𝑅3 + 1/𝑅4,

𝑈𝑎𝑡𝑙 =𝑈𝑝į/𝑅2 + 𝑈𝑖š−/𝑅4

1/𝑅2 + 1/𝑅3 + 1/𝑅4.



115

Palyginkite paskaičiuotas reikšmes su eksperimentiniais

duomenimis.

4.3.4. Pakartokite 4.3.2 - 4.3.3 p.p., nustačius priešįtampio reikšmes

– 10V, −5V, +5V ir +10V. Nustatykite, kokia tais atvejais

komparatoriaus suveikimo lygio slinktis ir ar keičiasi histerezės

dydis.




4 užduotis. Histerezinio komparatoriaus darbo tyrimas


signalo forma - sinusinė, signalo dažnis - 200Hz, įėjimo signalo

amplitudė 7V.

4.4.2. Slankiojančiu reguliatoriumi nustatykite perdavimo

charakteristikos šaltinio įtampą 𝑈𝑝į = 0V. Grafiniame indikatoriuje

pasirodys komparatoriaus įėjimo ir išėjimo signalų vaizdai.

Nukopijuokite komparatoriaus įėjimo ir išėjimo signalų vaizdą į

ataskaitą.

7.14 pav. Histerezinio komparatoriaus charakteristikų

tyrimo elektrinė jungimo schema

116

4.4.3. Pasinaudodami įėjimo signalo vaizdu grafiniame VP

indikatoriuje, horizontalia vizyro linija nustatykite komparatoriaus

suveikimo įtampą 𝑈𝑠𝑢𝑣 ir atleidimo įtampą 𝑈𝑎𝑡𝑙 . Rezultatus

įrašykite į ataskaitą.

4.4.4. Pakartokite 4.4.2 - 4.4.3 p.p., nustačius perdavimo

charakteristikos šaltinio įtampas – 5V ir +5V.

4.4.5. Pakartokite histerezinio komparatoriaus darbo tyrimą, esant

skirtingoms įėjimo signalo formoms (trikampei, stačiakampei, pjūklui).




Kuo komparatoriaus schema skiriasi nuo stiprintuvo sche-

mos?

Kokios išėjimo įtampos gali formuotis komparatoriaus išėji-

me?

Koks operacinio stiprintuvo režimas yra komparatorinis?

Kuo paaiškinama palyginimo schemos paklaida ir kokiu bū-

du ją galima sumažinti vienaslenksčiame komparatoriuje?


117

Kokia yra histerezinio komparatoriaus perdavimo charakte-

ristika?

Kaip galima pakeisti vienaslenksčio komparatoriaus suvei-

kimo slenkstį?

Kaip užduodama histerezinių komparatorių perdavimo cha-

rakteristikos slinktis?

Kokie histerezinio komparatoriaus privalumai, lyginant jį su

vienaslenksčiu?

Kokiu tikslumu darbe nustatyti analoginių komparatorių

parametrai? Nuo ko gali priklausyti gautų rezultatų koky-

bė?


SKAITMENINIŲ SCHEMŲ TYRIMAS

1. DARBO TIKSLAS

skaitmeninių loginių elementų darbo tyrimas;

dešifratoriaus darbo tyrimas;

multipleksoriaus darbo tyrimas;

trigerių darbo tyrimas;

skaitiklių darbo tyrimas.

2. TEORINĖ DALIS

loginių elementų klasifikacija, paskirtis ir darbo ypatybės *1];

dešifratorių ir multipleksorių sudarymo principai ir darbo

režimai *1, 3];

trigerių klasifikacija, darbo principai ir įjungimo būdai *1];

impulsų skaitiklių rūšys, jų darbo principai ir pritaikymo

ypatybės [1, 3].

Loginiai elementai

Skaitmeniniu loginiu elementu vadinamas fizinis įrenginys, at-

liekantis paprastą loginę funkciją arba vieną iš logikos algebros

118

operacijų. Schema, turinti baigtinį elementų skaičių ir sudaryta,

naudojant atitinkama taisykles, vadinama loginė schema.

Loginės funkcijos, o būtent, loginis neigimas, loginis daugini-

mas (konjunkcija) ir loginė sudėtis (disjunkcija), gali būti atliekamos

tam tikrų loginių elementų pagalba. 8.1 lentelėje parodyti loginiai

elementai, jų žymėjimas schemose ir atliekamos funkcijos.

Pastaba: Lentelėje panaudoti žymėjimai:

• 𝑥 - reikšmės neigimas 𝑥;

• ⋀ - loginis dauginimas (konjunkcija);

• ⋁ - loginė sudėtis (disjunkcija).

Loginiai elementai 8.1 lentelė

Elementas GOST ir IEC

117-15A

Milspec 806B Funkcija

NE

𝑦 = 𝑥

IR

𝑦 = 𝑥1⋀𝑥2

IR-NE

𝑦 = 𝑥1⋀𝑥2

ARBA

𝑦 = 𝑥1⋁𝑥2

ARBA-

NE

𝑦 = 𝑥1⋁𝑥2

Išskirtinė

ARBA

𝑦 = 𝑥1 ⋀𝑥2 ⋁ 𝑥1⋀𝑥2

Loginio elemento darbas aprašomas būsenų lentele. Joje nuro-

domos visos įmanomos loginio elemento įėjimo kintamųjų reikšmės

ir išėjimo būsenos, atitinkančios atliekamą loginę funkciją. Loginiai

119

kintamieji gali būti tik dviejų reikšmių - 0 arba 1. Loginio elemento

IR būsenų lentelės pavyzdys parodytas 8.2 lenteleje.

Elemento IR būsenų lentelė 8.2 lentelė

Įėjimai Išėjimas

𝒙𝟏 𝑥2 𝑦

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Loginės schemos, užtikrinančios vienareikšmį įėjimo ir išėjimo

signalų reikšmių atitikimą, vadinamos kombinuotomis. Joms pri-

klauso dešifratoriai ir multipleksoriai.

Dešifratoriai

Dešifratoriumi vadinasi n-laipsnio dvejetainio kodo keitiklis į

unitarinį 2𝑛 - laipsnio kodą, kurio visi bitai, išskyrus vieną, lygūs

vienetui. Dešifratoriai būna pilnieji ir nepilnieji. Pilnajam dešifrato-

riui būtina sąlyga:

𝑁 = 2𝑛 , (8.1)

kur 𝑛 - įėjimų skaičius (paprastai 𝑛 lygus 2,3 arba 4); 𝑁 - išėjimų

skaičius.

8.1 pav. Dešifratoriaus 3x8 grafinis žemėjimas

120

Nepilni dešifratoriai turi 𝑛 įėjimų, bet realizuojami 𝑁 < 2𝑛 iš-

ėjimai. Taip, pavyzdžiui, dešifratorius, turintis 4 įėjimus ir 10 išėji-

mų, bus nepilnas, o dešifratorius, turintis 2 įėjimus ir 4 išėjimus, bus

pilnas.

8.1 pav. parodyta dešifratoriaus schema su 𝑛 = 3.

Į įėjimus 𝑥0 , 𝑥1 , 𝑥2 galima paduoti aštuonias loginių verčių

kombinacijas: 000, 001, 010,..., 111. Schema turi aštuonis išėjimus,

viename kurių formuojamas žemas potencialas (0), o kituose - aukš-

tas (1). To vienintelio nulinio lygio išėjimo numeris atitinka skaičių

𝑁, nustatomą įėjimų 𝑥0 , 𝑥1 , 𝑥2 būseną tokiu būdu: 𝑁 = 22 𝑥2 +

21 𝑥1 + 20 𝑥0.

Apibendrintą išėjimo signalo 𝑦𝑖 būseną galima aprašyti tokių

sąlygų sistema:

𝑦𝑖 =

0, jeigu 𝑖 = 𝑘; 1, jeigu 𝑖 ≠ 𝑘;

𝑘 = 22 𝑥2 + 21 𝑥1 + 20 𝑥0.

(8.2)

Be informacinių įėjimų 𝑥0 , 𝑥1 , 𝑥2 , dešifratoriai paprastai turi

papildomus valdymo įėjimus 𝐸. Signalai šiuose įėjimuose leidžia

dešifratoriui atlikti reikiamas funkcijas arba perveda jį į pasyvią

būseną, kurioje, nepriklausomai nuo signalų informaciniuose įėji-

muose, visuose išėjimuose nusistovi loginio vieneto lygis. Galima

teigti, kad egzistuoja tam tikra išskyrimo funkcija, kurios vertę ap-

sprendžia valdymo įėjimų būsena. Dešifratoriaus valdymo įėjimas gali būti tiesioginis arba inver-

sinis. Dešifratoriuose su tiesioginiu įėjimu aktyvus lygis yra loginio

vieneto lygis, o dešifratoriuose su inversiniu įėjimu - loginio nulio

lygis. Dešifratorius, parodytas 8.1 pav., turi vieną inversinį valdymo

įėjimą. Išėjimo signalo formavimo principas jame, įvertinant val-

dymo signalą, nusakomas tokia formule:

𝑦𝑖 = 1 ∙ 𝐸 , jeigu 𝑖 = 𝑘;

1, jeigu 𝑖 ≠ 𝑘;

𝑘 = 22 𝑥2 + 21 𝑥1 + 20 𝑥0.

(8.3)

121

Egzistuoja dešifratoriai su keliais valdymo įėjimais. Tokiems

dešifratoriams leidimo funkcija, kaip taisyklė, yra visų valdymo

signalų loginis darinys. Pavyzdžiui, dešifratoriui 74138 su vienu

tiesioginiu valdymo įėjimu 𝐸3 ir dviem inversiniais 𝐸1 ir 𝐸2, funk-

cija 𝐸 atrodo taip:

𝐸 = 𝐸1 ∙ 𝐸2 ∙ 𝐸3 (8.4)

Multipleksoriai

Multipleksoriumi vadinama kombinuota loginė valdomo per-

jungėjo schema, kuri vieną iš informacinių duomenų įėjimų prijun-

gia prie išėjimo. Prijungiamo įėjimo numeris yra lygus adresų įėji-

mų loginių lygių kombinacijos skaičiui. Be informacinių ir adresų

įėjimų multipleksorių schemos gali turėti valdymo įėjimą, į kurį

paduodant aktyvuojantį lygį, multipleksorius pereina į aktyvią bū-

seną. Į tą įėjimą paduodant priešingą lygį, multipleksorius pereina į

pasyvią būseną, kurioje išėjimo signalas nepriklauso nuo informa-

cinių ir adresų signalų.

Pagal informacinių įėjimų skaičiaus 𝑛 santykį su adresų įėjimo

skaičiumi 𝑚 multipleksoriai skirstomi į pilnus ir nepilnus. Jei pa-

tenkinama sąlyga 𝑛 = 2𝑚 , tai multipleksorius yra pilnas. Jei ši sąly-

ga nepatenkinama, t.y. 𝑛 < 2𝑚 , tai multipleksorius yra nepilnas.

Multipleksoriaus informacinių įėjimų skaičius paprastai būna 2,

4, 8 arba 16. 8.2 pav. parodytas multipleksorius 4x1 su inversiniu

valdymo įėjimu 𝐸 ir tiesioginiu išėjimu 𝑦, ir tai yra pusė multiplek-

soriaus 74253 mikroschemos.

8.2 pav. Multipleksoriaus 4x1 grafinis žemėjimas

122

Tokio multipleksoriaus išėjimo funkciją galima išreikšti formu-

le:

𝑦 = 𝑥0 𝐴 ∙ 𝐵 + 𝑥1 𝐴 ∙ 𝐵 + 𝑥2 𝐴 ∙ 𝐵 + 𝑥3 𝐴 ∙ 𝐵 (8.5)

kur 𝑥0 , 𝑥1 , 𝑥2 , 𝑥3 - informaciniai įėjimai; 𝐴, 𝐵 - adresų įėjimai.

Bendru atveju pilnam multipleksoriui, turinčiam 𝑛 valdančių

(adresų) įėjimus ir 2𝑛 informacinių įėjimų, galima realizuoti 2𝑛 -

loginių įėjimų funkcijų. Kadangi kiekvienai valdančių įėjimų kom-

binacijai atitinka vienintelis informacinis įėjimas, į jį ir reikia nusta-

tyti reikalingos reikšmės loginę funkciją, kuri ir bus perduodama į

multipleksoriaus išėjimą.

Trigeriai

Trigeriu vadinamas įrenginys, turintis dvi stabilias būsenas.

Dvi stabilios trigerio būsenos, kurias užtikrina teigiamas grįžtama-

sis ryšys, išėjime sukuria būsenas: 𝑄 = 1 ir 𝑄 = 0. Kokios būsenos

bus trigeris, priklauso nuo trigerio įėjimų signalų ir nuo ankstesnės

trigerio būsenos, kitaip sakant, trigeris turi atmintį. Trigerį galima

pavadinti elementaria atminties ląstele.

Pagal darbo algoritmus trigeriai skirstomi į tipus. Priklausomai

nuo darbo algoritmo, trigeris gali turėti nustatymo, informacinius ir

valdančius įėjimus. Nustatymo įėjimai nustato trigerio būseną, ne-

priklausomai nuo kitų įėjimų būsenos. Valdantys įėjimai leidžia

užrašyti duomenis, paduodamus į informacinius įėjimus. Plačiau-

siai paplitę trigeriai RS, JK, D ir T. Šių trigerių žymėjimai parodyti

8.3 pav.

RS - trigeris turi du informacinius įėjimus, S ir R. Padavus į įė-

jimą S signalą 1, o į įėjimą R signalą 0, trigerio 𝑄 išėjime gaunamas

8.3 pav. Trigerių RS, JK, D ir T - tipo grafinis žemėjimas

123

signalas 1. Atvirkščiai, esant signalams 𝑆 = 0 ir 𝑅 = 1, trigerio iš-

ėjimo signalas bus 0. RS - trigerio veikimas nusakomas lygtimi:

𝑄𝑛+1 = 𝑅𝑛

𝑆𝑛 + 𝑅𝑛 𝑄𝑛 (8.6)

kur 𝑄𝑛 ir 𝑄𝑛+1 - atitinkamai buvusi ir nauja trigerio būsena.

RS - trigeriui kombinacija 𝑆 = 1 ir 𝑅 = 1 draudžiama. Esant to-

kiai informacinių signalų kombinacijai, trigerio būsena taps neapib-

rėžta: jo išėjime 𝑄 gali būti 0 arba 1.

Egzistuoja RS - trigerių rūšys, vadinami E, R, ir S - trigeriais,

kuriems derinys 𝑆 = 𝑅 = 1 nėra draudžiamas. E - trigeris, esant

𝑆 = 𝑅 = 1, nekeičia savo būsenos (𝑄𝑛+1 = 𝑄𝑛 ), S - trigeris, esant

𝑆 = 𝑅 = 1, nusistato būsenoje 𝑄 = 1, o R - trigeris šiuo atveju atsi-

duria būsenoje 𝑄 = 0.

JK - trigeriai taip pat turi du informacinius įėjimus J ir K. Kaip ir

RS - trigeryje, JK - trigeryje J ir K - tai nustatymo įėjimai, pervedan-

tys išėjimą 𝑸 į būseną 1 arba 0. Bet, priešingai nei RS - trigeryje, JK

– trigeryje, kai 𝐽 = 𝐾 = 1, pakeičia trigerio išėjimo 𝑄 būseną į prie-

šingą. JK - trigeriai sinchronizuojami loginės būsenos pasikeitimu

įėjime 𝐶. JK - trigerio veikimo sąlyga išreiškiama:

𝑄𝑛+1 = 𝐽𝑛𝑄𝑛 + 𝐾𝑛

𝑄𝑛 (8.7)

D - trigeris, arba uždelsimo trigeris, gavęs į įėjimą 𝐶 sinchroni-

zavimo signalą, įrašo į trigerį įėjime 𝐷 buvusį loginį lygį. D - trige-

rio veikimo lygtis atrodo taip: 𝑄𝑛+1 = 𝐷𝑛 . Ši lygtis parodo, kad iš-

ėjimo signalas 𝑄𝑛+1 pakinta ne iš karto, pasikeitus įėjimo signalui 𝐷,

o tik sulaukus sinchronizavimo signalo, t. y., su vienu sinchroniza-

cijos impulsų periodo uždelsimu (Delay - uždelsimas).

D - trigeris sinchronizuojamas impulsu arba jo frontu.

T - trigeris, arba skaičiavimo trigeris, keičia išėjimo būseną pagal

impulso frontą įėjime 𝐶. Be sinchronizacijos įėjimo (𝐶) T - trigeris

gali turėti paruošiamąjį įėjimą 𝑇. Signalas šiame įėjime leidžia (kai

124

𝑇 = 1) arba neleidžia (kai 𝑇 = 0) trigerio suveikimą nuo impulsų

frontų įėjime 𝐶. T - trigerio veikimo lygtis yra:

𝑄𝑛+1 = 𝑇𝑛𝑄𝑛 + 𝑇𝑛

𝑄𝑛 (8.8)

Iš šios lygties matyti, kad, esant 𝑇 = 1, atitinkamas signalo fron-

tas įėjime 𝐶 perveda trigerį į priešingą būseną. Potencialo kitimo

dažnis T -trigerio išėjime du kartus mažesnis nei impulsų dažnis

įėjime 𝐶. Ši T - trigerių savybė leidžia jų pagrindu kurti dvejetainius

skaitiklius. Todėl šie trigeriai ir vadinami skaičiavimo trigeriais.

Skaičiavimo trigeris be įėjimo 𝑇 veikia taip pat, kaip ir T - trigeris,

esant 𝑇 = 1.

Skaitikliai

Skaitikliu vadinasi įrenginys, skirtas įėjimo impulsų skaičiavi-

mui. Su kiekvienu impulso patekimu į įėjimą 𝑪 skaitiklio būsena

pakinta vienetu. Skaitiklį galima sukurti iš kelių trigerių, tada skai-

tiklio būseną nusakys jo trigerių būsenos. Sumuojančiuose skaitik-

liuose kiekvienas įeinantis impulsas padidina išėjimo skaičių viene-

tu, o atimties skaitikliuose kiekvienas įeinantis impulsas sumažina

šį skaičių vienetu. Patys paprasčiausi skaitikliai - dvejetainiai.

Pav.8.4 parodytas sumuojantis dvejetainis skaitiklis.

Skaitiklyje trigeriai sujungiami nuosekliai. Kiekvieno trigerio

išėjimas tiesiogiai veikia kito trigerio taktinį įėjimą. Norint realizuo-

ti sumuojantį skaitiklį, reikia bet kurio kito trigerio skaičiavimo įė-

jimą prijungti prie paskutiniojo trigerio inversinio išėjimo. Skaičia-

8.4 pav. Sumuojantis dvejetainis skaitiklis

125

vimo krypčiai pakeisti (sukurti atimties skaitiklį) naudojami tokie

metodai:

išėjimo signalai skaičiuojami ne tiesioginiuose, o inversi-

niuose trigerių išėjimuose;

skaitiklio ryšių struktūra pakeičiama, paduodant signalą į

trigerio skaičiavimo įėjimą ne iš inversinio, bet iš tiesioginio

paskutinio įrenginio išėjimo.

Skaitikliai charakterizuojami būsenų skaičiumi per vieną skai-

čiavimo periodą (ciklą). Būsenų skaičius nustatomas trigerių skai-

čiumi 𝑘 skaitiklio struktūroje. Kai, pvz., 𝑘 = 3, būsenų skaičius ly-

gus 𝑁 = 23 = 8 (nuo 000 iki 111).

Skaitiklio būsenų skaičius vadinamas perskaičiavimo koeficien-

tu 𝐾𝑠𝑘 . Šis koeficientas lygus impulsų skaičiaus 𝑁įė įėjime santykiui

su impulsų skaičiumi vyriausio laipsnio skaitiklio išėjime 𝑁𝑖š per

skaičiavimo periodą:

𝐾𝑠𝑘 =𝑁įė

𝑁𝑖š (8.9)

Jeigu į skaitiklio įėjimą paduotume periodinę dažnio 𝑓įė impul-

sų seką, tai vyriausio laipsnio skaitiklio išėjime dažnis 𝑓𝑖š bus 𝐾𝑠𝑘

kartų mažesnis:

𝐾𝑠𝑘 =𝑓įė

𝑓𝑖š (8.10)

Todėl skaitiklius galima naudoti kaip dažnio daliklius, dydis

𝐾𝑠𝑘 tokiu atveju bus dalijimo koeficientas. Dydžio 𝐾𝑠𝑘 padidinimui

tenka padauginti trigerių kiekį grandinėje. Kiekvienas papildomas

trigeris padvigubina skaitiklio būsenų skaičių ir skaičių 𝐾𝑠𝑘 . Koefi-

ciento 𝐾𝑠𝑘 sumažinimui galima kaip skaitiklio išėjimą naudoti tar-

pinių pokopų trigerių išėjimus. Pavyzdžiui, skaitiklyje iš trijų trige-

rių 𝐾𝑠𝑘 = 8, imant antro trigerio išėjimą, bus 𝐾𝑠𝑘 = 4. Be to, 𝐾𝑠𝑘 vi-

sada bus skaičiaus 2 laipsniu, o būtent: 2, 4, 8, 16 ir t.t.

Galima sukurti skaitiklį, kuriam 𝐾𝑠𝑘 būtų bet kuris sveikas skai-

čius. Pavyzdžiui, iš trijų trigerių 𝐾𝑠𝑘 galima sukurti skaitiklį skai-

čiuojantį nuo 2 iki 7, bet tuo pat metu vienas ar du trigeriai gali tapti

126

nereikalingais. Panaudojant visus tris trigerius, galima gauti

𝐾𝑠𝑘 = 5 … 7, t.y. 22 < 𝐾𝑠𝑘 < 23. Skaitiklis su 𝐾𝑠𝑘 = 5 gali turėti 5 bū-

senas, kurios paprasčiausiu atveju sudaro seką: {0, 1, 2, 3, 4}. Cikli-

nis šios sekos kartojimas reiškia, kad skaitiklio dalijimo koeficientas

lygus 5.

Sumavimo skaitiklio su 𝐾𝑠𝑘 = 5 sukūrimui reikia, kad, sufor-

mavus paskutinį skaičių iš sekos {0, 1, 2, 3, 4}, skaitiklis pereitų ne

prie skaičiaus 5, o prie skaičiaus 0. Dvejetainėje sistemoje tai reiš-

kia, kad nuo skaičiaus 100 reikia pereiti prie skaičiaus 000, o ne prie

101. Įprastinę skaičiavimo tvarką galima pakeisti, įvedus tarp skai-

tiklio trigerių papildomus ryšius. Galima pasinaudoti tokiu būdu:

kai tik skaitiklis atsidurs nedarbinėje būsenoje (šiuo atveju 101), šis

faktas turi būti atpažintas ir atsirastų signalas, kuris pervestų skai-

tiklį į 000 būseną.

Nedarbinė skaitiklio būsena nusakoma logine lygtimi:

𝐹 = 101 ⋁ 110 ⋁ 111 =

= 𝑄3𝑄2𝑄1⋁𝑄3𝑄2𝑄1⋁𝑄3𝑄2𝑄1 = = 𝑄3𝑄1⋁𝑄3𝑄2 (8.11)

Būsenos 110 ir 111 taip pat yra nedarbinės ir todėl įvertintos,

sudarant lygtį. Jeigu ekvivalentinės loginės schemos išėjime 𝐹 = 0,

reiškia, kad skaitiklis yra vienoje iš darbinių būsenų: 0⋁1⋁2⋁3⋁4.

Kai jis atsiduria vienoje iš nedarbinių būsenų 5⋁6⋁7, susiformuoja

signalas 𝐹 = 1. Signalo 𝐹 = 1 pasirodymas turi pervesti skaitiklį į

pradinę padėtį 000, iš to seka, kad, šiam signalui paveikus skaitiklio

8.5 pav. Skaitiklio schema su 𝐾𝑠𝑘 = 5

127

trigerių nustatymo įėjimus, jie pervestų skaitiklį į būseną 𝑄1 = 𝑄2 =

𝑄3 = 0. Vienas iš skaitiklio su 𝐾𝑠𝑘 = 5 variantų parodytas 8.5 pav.

Nuosekliai sujungus trigerį ir skaitiklį su 𝐾𝑠𝑘 = 5, sudaromas

dešimtainis skaitiklis, kurio 𝐾𝑠𝑘 = 10. Tokie skaitikliai plačiai nau-

dojami, kuriant skaitmeninius matavimo prietaisus su operatoriui

patogiu dešimtainiu atskaitymo įrenginiu.




laboratoriniai moduliai Lab8A ir Lab9A, skirti trigerių ir

skaitiklių darbo tyrimui.

4. DARBO UŽDUOTIS





vaizdas (8.6 pav.).

1 užduotis. Skaitmeninių loginių elementų tyrimas

4.1.1. VP valdymo elementais, „pasirinkimų sąrašo“ tipo,

aktyvuokite reikiamą skaitmeninio loginio elemento tipą (8.6 pav.).

4.1.2. Į pasirinkto loginio elemento įėjimus paduokite elektrinius

signalus, kurių lygiai atitinka loginius lygius, nurodytus 8.3

lentelėje. Loginis lygis keičiasi, manipuliatoriumi „pelė“ vieną kartą

nuspaudus kvadratinį mygtuką, parodytą šalia atitinkamo įėjimo.

Ant mygtuko atvaizduojama įėjimo būsena (0 arba 1).

Įrašykite į 8.3 lentelę loginio elemento išėjimo būseną. Ši būsena

parodoma priekiniame VP valdymo lange apvalios formos indika-

toriuje. Loginė išėjimo būsena taip pat parodoma ir VP indikatoriu-

je.

4.1.3. Pakartokite visų loginių elementų, nurodytų 8.3 lentelėje,

tyrimą. Gautą būsenų lentelę įtraukite į ataskaitą.

128

4.1.4. Priekiniame VP valdymo lange nuspauskite mygtuką



8.3 lentelė

Įėjimai Išėjimai y loginius funkcijos:

𝒙𝟏 𝑥2 NE IR IR-NE ARBA ARBA-NE Išskirtinė

ARBA

0 0

0 1

1 0

1 1

2 užduotis. Dešifratoriaus 2x4 darbo tyrimas

4.2.1. Pasinaudodami valdymo elementais, esančiais VP valdymo

lange, nustatykite leidžiamajame dešifratoriaus įėjime "𝐸" loginę

būseną „0“.

4.2.2. Į dešifratoriaus įėjimus "𝑥0" ir "𝑥1" paduokite loginius

signalus pagal 8.4 lentelę ir kontroliuokite išėjimų "𝑦0~𝑦3" būsenas.

Gautus duomenis įrašykite į atitinkamus 8.4 lentelės langelius.


129

4.2.3. Pakartokite dešifratoriaus darbo tyrimą, kai leidžiamasis

įėjimas "𝐸" yra būsenoje „1“. Tyrimo rezultatus įtraukite į ataskaitą.

Nustatykite kuri įėjimo "𝐸" loginė būsena yra aktyvi.




3 užduotis. Multipleksoriaus 4x1 darbo tyrimas

4.3.1. Valdymo elementais, esančiais priekiniame VP valdymo

lange, nustatykite multipleksoriaus leidžiamajame įėjime "𝐸" loginę

būseną „0“.

8.4 lentelė

Įėjimas

𝑬 Įėjimas

𝒙𝟏 Įėjimas

𝒙𝟎 Išėjimas

𝒚𝟎 Išėjimas

𝒚𝟏 Išėjimas

𝒚𝟐 Išėjimas

𝒚𝟑

0

0 0

0 1

1 0

1 1

1

0 0

0 1

1 0

1 1


130

4.3.2. Nustatykite multipleksoriaus adresų įėjimuose "𝐴" ir "𝐵"

loginių būsenų kombinaciją pagal 8.5 lentelę.

4.3.3. Nustatykite, kuris iš keturių informacinių įėjimų (𝑥0~𝑥3)

prijungtas prie išėjimo 𝑦, esant nustatytai adreso reikšmei. Tam

tikslui, paeiliui keisdami multipleksoriaus įėjimų mygtukų "𝑥0~𝑥3"

esančių VP valdymo lange, būsenas, nustatykite įėjimo numerį,

kurio lygio perjungimas keičia išėjimo indikatoriaus "𝑦" būseną. To

įėjimo žymėjimą įrašykite į 8.5 lentelę. Jeigu nepavyksta surasti

įjungto įėjimo, į lentelę įrašykite simbolį " × ".

8.5 lentelė

Įėjimas

𝑬 Įėjimas

𝑨𝟏 Įėjimas

𝑨𝟎 Išėjimas 𝒚 = 𝒙𝒊

0

0 0

0 1

1 0

1 1

1

0 0

0 1

1 0

1 1


131

4.3.4. Pakartokite multipleksoriaus darbo tyrimą, kai leidžiamasis

įėjimas "𝐸" yra „1“. Tyrimo rezultatus įrašykite į ataskaitą.

Nustatykite, kuri loginė įėjimo "𝐸" būsena yra aktyvi.




Trigerių darbo tyrimui įstatykite laboratorinį modulį Lab8A į

laboratorinės stoties NI ELVIS II maketinės plokštės lizdą 𝐽2.

Modulio išorinis vaizdas parodytas 8.10 pav.

4 užduotis. Asinchroninio RS - trigerio darbo tyrimas

RS - trigerio darbo tyrimui naudojama elektrinė schema,

parodyta pav.8.11.

8.10 pav. Modulio Lab8A, skirto trigerių darbo tyrimui, išorinis vaizdas


132

4.4.1. Valdymo elementų, esančių priekiniame VP valdymo lange,

pagalba, paeiliui nustatykite trigerio įėjimuose R ir S logines

būsenas, nurodytas 8.6 lentelėje:

𝑄𝑛 - trigerio būsena iki valdymo signalų padavimo;

𝑄𝑛+1 - trigerio būsena po valdymo signalų padavimo;

× - bet kuri įėjimo būsena.

4.4.2. Indikatoriumi "𝑄" pagalba nustatykite trigerio išėjimo

būseną, atitinkančią įėjimo signalus, ir įrašykite į būsenų 8.6 lentelę.

4.4.3. Keisdami įėjimų būsenas, užpildykite RS - trigerio būsenų

virsmų lentelę (8.7 lentelė). Pažymėkite, kurie perjungimai keičia

trigerio būseną, o kurie - ne.




5 užduotis. Dviejų pakopų JK- trigerio darbo tyrimas

JK - trigerio darbo tyrimui naudojama elektrinė schema,

parodyta 8.13 pav.


lange, įjunkite taktinį generatorių, paduodantį impulsus į JK -

8.11 pav. RS - trigerio darbo tyrimo elektrinė jungimo schema

Įėjimas

𝑹

Įėjimas

𝑺

Išėjimas

𝑸𝒏+𝟏

0 0

0 1

1 0

1 1

Išėjimas

𝑸𝒏

Įėjimas

𝑹

Įėjimas

𝑺

Išėjimas

𝑸𝒏+𝟏

0 × 0

0 0 1

1 1 0

1 0 ×

8.6 lentelė 8.7 lentelė

74279, 555TP2

133

trigerio skaičiavimo įėjimą "𝐶". Grafiniame VP indikatoriuje

pasirodys trigerio įėjimų ir išėjimų signalų laikinės diagramos.

4.5.2. Keisdami logines įėjimų J ir K būsenas ir stebėdami laiko

diagramas bei indikatoriaus būseną "𝑸" išėjime, užpildykite JK -

trigerio būsenų lentelę (8.8) ir būsenų virsmų lentelę (8.9).

4.5.3. Iš laiko diagramos nustatykite, koks taktinio impulso

pakitimas iššaukia JK - trigerio perjungimą. Laiko diagramų

analizės patogumui galima sustabdyti trigerio darbą, išjungiant

taktinį generatorių.

Vaizdą, gautą grafiniame VP indikatoriuje, rodantį pagrindines

JK - trigerio perjungimo fazes, nukopijuokite į ataskaitos puslapį.


Įėjimas

𝑱

Įėjimas

𝑲

Įėjimas

𝑪

Išėjimas

𝑸𝒏+𝟏

0 0 0 1 1 0 1 1

Išėjimas

𝑸𝒕

Įėjimas

𝑱

Įėjimas

𝑲

Išėjimas

𝑸𝒏+𝟏

0 × 0 0 0 1 1 1 0 1 0 ×

Lentelė 8.8 Lentelė 8.9

134




6 užduotis. Dviejų pakopų D - trigerio darbo tyrimas

D - trigerio darbo tyrimui naudojama elektrinė schema,

parodyta 8.15 pav.


lange, įjunkite taktinį generatorių, paduodantį impulsus į D -

trigerio skaičiavimo įėjimą "𝐶". Grafiniame VP indikatoriuje


8.13 pav. JK - trigerio darbo tyrimo elektrinė jungimo schema

7472, 555TB1


135

4.6.2. Keisdami loginę įėjimo "𝐷" būseną ir stebėdami laikines

diagramas bei indikatoriaus būseną "𝑄" išėjime, užpildykite D -

trigerio būsenų lentelę (8.10) ir būsenų virsmų lentelę (8.11).

4.6.3. Iš laikinės diagramos nustatykite, kuris taktinio impulso

pakitimas perjungia D - trigerį.

4.6.4. Į ataskaitos puslapį nukopijuokite grafinio VP indikatoriaus

laikinę diagramą su pagrindinėmis D - trigerio perjungimo fazėmis.




7 užduotis. Skaičiuojančio T- trigerio darbo tyrimas

T - trigerio darbo tyrimui naudojama elektrinė schema,

parodyta 8.17 pav.


lange, įjunkite taktinį generatorių, paduodantį impulsus į

skaičiuojantį T - trigerio įėjimą "𝐶". Grafiniame VP indikatoriuje


8.15 pav. D - trigerio darbo tyrimo elektrinė jungimo schema

Įėjimas

𝑫

Įėjimas

𝑺

Išėjimas

𝑸𝒏+𝟏

0

1

Išėjimas

𝑸𝒕

Įėjimas

𝑫

Išėjimas

𝑸𝒏+𝟏

0 0

0 1

1 0

1 1

8.10 lentelė 8.11 lentelė

7474, 555TM2

136

4.7.2. Pasinaudodami VP valdymo migtukais, nustatykite, kokiai

įėjimo "𝑇" loginei būsenai esant, trigeris dirba skaičiavimo režime,

t.y., keičia išėjimo būseną, veikiamas taktinių impulsų įėjime "𝐶".

4.7.3. Į ataskaitos puslapį nukopijuokite T - trigerio skaičiavimo

režime laikines diagramas, gautas grafiniame VP indikatoriuje.




Skaitiklių darbo tyrimui įstatykite laboratorinį modulį Lab9A į

laboratorinės stoties NI ELVIS II maketinės plokštės lizdą. Modulio

išorinis vaizdas parodytas 8.19 pav.

8.17 pav. T - trigerio darbo tyrimo elektrinė jungimo schema

7472, 555TB1


137

8 užduotis. Asinchroninio dvejetainio skaitiklio darbo tyrimas

Asinchroninio dvejetainio skaitiklio darbo tyrimui naudojama

elektrinė schema, parodyta 8.20 pav.


lange, įjunkite taktinį generatorių, paduodantį impulsus į skaitiklio

skaičiavimo įėjimą "𝐶". Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys

trigerio įėjimų ir išėjimų signalų laikinės diagramos.

4.8.2. Stebėdami skaitiklio darbą pagal laiko diagramas ir išėjimo

indikatoriuje, nustatykite, kokia loginė įėjimo "𝑅" būsena iššaukia

asinchroninio skaitiklio pervedimą į nulinę būseną.

Grafiniame indikatoriuje gautas laiko diagramas,

vaizduojančias pilną dvejetainio skaitiklio darbo ciklą,

nukopijuokite į ataskaitos puslapį.

8.19 pav. Modulio Lab9A, skirto skaitiklių darbo tyrimui, išorinis vaizdas


138




9 užduotis. Asinchroninio skaitiklio su perskaičiavimo koeficientu

10 darbo tyrimas

Asinchroninio skaitiklio su perskaičiavimo koeficientu 10 darbo

tyrimui naudojama elektrinė schema, parodyta 8.22 pav.


lange, įjunkite taktinį generatorių, paduodantį impulsus į skaitiklio

skaičiavimo įėjimą "𝐶". Grafiniame VP indikatoriuje pasirodys

trigerio įėjimų ir išėjimų signalų laikinės diagramos.

8.20 pav. Asinchroninio dvejetainio skaitiklio darbo tyrimo elektrinė

jungimo schema

7493, 555IE5


139

4.9.2. Stebėdami skaitiklio darbą pagal laiko diagramas ir išėjimo

indikatorius, nustatykite, kokioms įėjimų "𝑅" ir "𝑆" loginėms

būsenoms esant, įvyksta asinchroninio skaitiklio perjungimas į

nulinę būseną ir jo asinchroninis perjungimas į būseną 10.

Grafiniame VP indikatoriuje gautas laiko diagramas, rodančias

dvejetainio skaitiklio su perskaičiavimo koeficientu 10 pilną darbo

ciklą, nukopijuokite į ataskaitos puslapį.




Kas yra loginis kintamasis ir loginis signalas? Kokios jų ga-

limos reikšmės?

Kas yra loginė funkcija?

Kas yra būsenų lentelė? Pateikite pavyzdį.

Kokie loginiai elementai sudaro bazinį rinkinį?

Kokias logines funkcijas vykdo dešifratorius?

Kokia dešifratorių valdymo įėjimų paskirtis? Kaip valdymo

signalas veikia dešifratoriaus išėjimo funkcijas?

Kokio elektrinio įrenginio funkciją loginiams signalams at-

lieka multipleksorius?

Kokia logine lygtimi apibūdinamas multipleksoriaus 2x1 su

valdymo įėjimu darbas?

Aprašykite RS, JK, D ir T - trigerių darbo principą.

8.22 pav. Asinchroninio skaitiklio su perskaičiavimo koeficientu 10

darbo tyrimo elektrinė jungimo schema

7490, 555IE2

140

Kaip JK ir D - trigerių pagalba sukurti skaičiuojamąjį trigerį?

Kodėl T - trigeris vadinamas skaičiuojančiu?

Iš kokių trigerių ir kaip galima sudaryti dvejetainį skaitiklį?

Ką tam reikia padaryti?

Kaip perdaryti sumavimo skaitiklį į atimties (atėmimo)?

Kas yra skaitiklio perskaičiavimo koeficientas?

Kokiais būdais galima pakeisti skaitiklio perskaičiavimo ko-

eficientą?

Kokie skaitmeninių mikroschemų TTL ir TTLS serijų pa-

grindiniai parametrai?

Nuo ko gali priklausyti gautų rezultatų kokybė?

PRIEDAS

Laboratorinio darbo paruošimas

Laboratorinis stendas - tai aparatinis - programinis komplek-

sas, į kurio sudėtį įeina šios priemonės:

personalinis kompiuteris;

laboratorinė stotis NI ELVIS II;

laboratorinių modulių komplektas;

jungiamųjų laidų komplektas.

Išnagrinėkime pagrindinius reikalavimus aparatinėms priemo-

nėms ir pasiruošimui darbui tvarką.

Personalinis kompiuteris

Laboratorinių darbų, numatytų šiose laboratorinėse pratybose,

atlikimui reikalingas tokių parametrų IBM asmeninis kompiuteris:

Pentium III klasės procesorius ne žemesnio nei 733MHz

dažnio;

operatyvioji atmintis ne mažiau 256Mb;

2Gb laisvas vietos duomenų įrašymui diske.

Asmeninis kompiuteris turi turėti tokias programines priemo-

nes:

141

operacinę sistemą Windows 9x/2k/XP/Vista;

grafinio programavimo aplinką LabVIEW 8.2 ir aukštesnę

versija;

tekstinį redaktorių Mikrosoft Office WORD 2003 ar aukštes-

ni versiją.

Laboratorinė stotis NI ELVIS II

Laboratorinė stotis NI ELVIS II - tai kompanijos National In-

strument bazinis sprendimas, skirtas laboratorinių darbų atlikimui

bei mokymo laboratorijų sukūrimui aukštosiose mokyklose ir kole-

džuose. Į jos sudėtį įeina:

1. Maketinė plokštė (2800 lizdų), skirta studentams ar dėstyto-

jams savarankiškai sudaryti elektrines grandines ir įrengimus, da-

viklių ir valdomų sistemų montažui. Maketinė plokštė leidžia pa-

duoti į sudarytas schemas signalus iš duomenų surinkimo įrengi-

nio.

2. NI ELVIS II platforma, tarnauja signalų suderinimui, pa-

duodamų iš daugiafunkcinio duomenų rinkimo įrenginio į sche-

mas, sudarytas ant maketinės plokštės, o taip pat turinti visą eilę

papildomų įrengimų, valdomų rankiniu būdu arba programiškai:

reguliuojamus nuolatinės įtampos šaltinius ±12V ribose;

stabilizuotus nuolatinės įtampos +5V, ±15V šaltinius;

įmontuotą standartinių signalų (sinusas, stačiakampis, trikam-

pis, pjūklas) generatorių;

BNC jungtis multimetrui ir oscilografui;

apsaugos schemas nuo trumpo jungimo ir aukštos įtampos.

3. Programinė įranga, realizuojanti skaitmeninio multimetro,

oscilografo, generatoriaus, laisvos formos signalų generatoriaus,

derinamo nuolatinės įtampos šaltinio, VDCh ir FDCh grandinių

analizatoriaus, spektro analizatoriaus, skaitymo įrenginio VACh

analizatoriaus, skaitmeninio signalų užrašymo funkcijas.

4. Tvarkiklių ir pavyzdžių rinkinys, skirtas LabVIEW.

142

Prieš pradedant naudotis laboratorine stotimi NI ELVIS II

reikia:

įjungti asmeninį kompiuterį;

įstatyti įeinančius į komplektą tvarkiklius ir programinę sto-

ties NI ELVIS II įrangą;

sujungti USB kabeliu kompiuterį su NI ELVIS II platformos

USB jungtimi;

prijungti maitinimo bloką prie NI ELVIS II platformos ir nu-

statyti perjungiklius ant užpakalinio, o po to ant priekinio

platformos panelio į padėtį „ON“.

J1

J2

6 pav. Prijungimo prie pereinamos plokštės kontaktų schema

4 pav. NI ELVIS II su įstatyta maketine plokšte

143

Maketinės plokštės paruošimas

Į šių laboratorinių pratybų komplektą įeina 9 laboratoriniai

moduliai, ant kurių surinktos tyrinėjamos schemos. Moduliai

Lab1A - Lab7A skirti analoginių schemų tyrimui, o Lab8A ir Lab9A

- skaitmeninių. Kiekvienas modulis turi dvieilę jungtį (2x15 kontak-

tų), skirtą pereinamosios plokštės lizdui. Pereinamoji plokštė įsta-

toma į stoties NI ELVIS II maketinės plokštės lizdus kaip parodyta 4

pav. Analoginiai moduliai įstatomi į pereinamosios plokštės jungtį

J1, o skaitmeniniai - į jungtį J2. Laboratorinių modulių jungčių kon-

taktų numeracija parodyta 5 pav.

6 pav. parodytos laboratorinės stoties NI ELVIS II signalų pri-

jungimo prie pereinamos plokštės kontaktų schema, tiriant analogi-

nes (a) ir skaitmenines (b) schemas.

Prieš laboratorinio darbo atlikimą būtina paruošti NI ELVIS II

maketinę plokštę pagal instrukcijas. Išorinis paruoštos plokštės

vaizdas parodytas 7 pav.

Elektrinės jungtys ant maketinės plokštės atliekamos montaži-

niais laidais, įeinančiais į komplektą. Laboratorinius modulius rei-

kia pastatyti ant pereinamosios plokštės pagal žymes.

Pratybų programinės įrangos paruošimas

Programinė įranga skirta naudotis aplinkoje LabVIEW 8.2 arba

naujesnės versijos ir įrašyta į CD aplanke „Lab“. Darbo pradžioje

7 pav. Maketinės plokštės NI ELVIS II paruošimo vaizdas

144

nukopijuokite šį aplanką į jūsų kompiuterio kietąjį diską (pavyz-

džiui, į diską C:\). Atlikdami laboratorinį darbą, atidarykite aplan-

ką Lab ir įkraukite programą Lab-n.vi, kur n - darbo numeris. Pro-

grama paleidžiama, nuspaudus mygtuką RUN su pavaizduota strė-

le .

LITERATŪRA

Pagrindinė:

1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. -

СПб.: Учитель и ученик: КОРОНА принт, 2006.

2. S. Masiokas. Elektrotechnika: Vadovelis aukštosioms mo-

kykloms, Kaunas: Candela, 1994.

3. V. Stasiūnas. Elektronikos pagrindai: Šiaulių universiteto

leidykla, 2002.

4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые

приборы. Учебник для вузов. - СПб.: «Лань», 2003.

5. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и

цифровая электроника (полный курс): Учебник для

вузов. Под. ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия-

Телеком, 2005.

Papildoma:

6. U. Tietze, Ch. Schenk. Anvanced Electronic Circuits: Sprin-

ger-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1978.

7. Kirvaitis, Raimundas; Martavičius, Romanas. Analoginė

elektronika: Vadovėlis. Vilnius: Technika, 2003. 336 p. ISBN

9986-05-685-3.

8. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие

для вузов. - М.: Высшая школа, 2005.

9. LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made

Easy and Fun (3rd Edition) (National Instruments Virtual

http://www.amazon.com/LabVIEW-Everyone-Programming-Instruments-Instrumentation/dp/0131856723/ref=sr_1_1?ie=UTF8&s=books&qid=1241631370&sr=1-1

http://www.amazon.com/LabVIEW-Everyone-Programming-Instruments-Instrumentation/dp/0131856723/ref=sr_1_1?ie=UTF8&s=books&qid=1241631370&sr=1-1

145

Instrumentation Series) by Jeffrey Travis and Jim Kring

(Hardcover - Aug 6, 2006).

10. Патон Б. Основы аналоговой и цифровой электроники. -

М.: 2002.

11. Вучков И., Бояджиева Л., Солаков Е. Прикладной

линейный регрессионный анализ. - М.: «Финансы и

статистика», 1987.

12. Č. Pavasaris. Puslaidininkiniai įtaisai. Veikimo ir taikymo pa-

grindai / 1 ir 2 d. 2004 - 2005, Vilnius

(http//rfk.ff.vu.lt/elektronikos-lab.htm)(1 d.: 106 ÷ 129, 131 ÷

136, 151 ÷ 162, 255 ÷ 263 p. p.).

13. LabVIEW 8 Student Edition (book only) by Robert Bishop

(Paperback - Sep 3, 2006).

14. Быстров Ю.А. и др. Электронные приборы и устройства

на их основе: Справочная книга. - М.: ИП РадиоСофт,

2002.

15. A. Lašas, V. Bartkevičius, G. Jasinevičienė, R. Šurna. Pramo-

ninė elektronika, I dalis. Vilnius: Mokslas, 1988, 57 ÷ 69, 127

÷ 136 p. p.

16. Электротехника и электроника в экспериментах и

упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2

т. /Под общей ред. Д.И. Панфилова - Т.2: Электроника. -

М.: ДОДЭКА, 2000.

17. Тревис Дж. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс;

ПриборКомплект, 2004.

18. Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. LabVIEW для

новичков и специалистов. - М.: Горячая линия-Телеком,

2004.

http://www.amazon.com/LabVIEW-8-Student-book-only/dp/0132390256/ref=sr_1_12?ie=UTF8&s=books&qid=1241631370&sr=1-12

Documents

Romanov knyga