Mikroelektronické praktikum

Transkript

1 Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. Mikroelektronické praktikum Laboratorní cvičení Vysoké učení technické v Brně 2011

2 Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/ s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

3 Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/ s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

4 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obsah 1 TRANZISTOROVÝ SPÍNAČ A ZESILOVAČ POSTUP: TRANZISTOROVÉ ZESILOVAČE DOPLŇUJÍCÍ POČÍTAČOVÉ CVIČENÍ ZESILOVAČ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM ZESILOVAČ S TRANZISTOREM JFET PROUDOVÝ ZDROJ DIFERENČNÍ ZESILOVAČ RADIOPŘIJÍMAČ POSTUP: OPERAČNÍ ZESILOVAČ - ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ POSTUP: OPERAČNÍ ZESILOVAČ - VYBRANÉ APLIKACE POSTUP: ZADÁNÍ HORNÍ A DOLNÍ PROPUST S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM MULTIVIBRÁTOR S OZ ZESILOVAČ A NÁSOBIČ VE TŘÍDĚ C POČÍTAČOVÉ CVIČENÍ DEMODULÁTOR A SMĚŠOVAČ POČÍTAČOVÉ CVIČENÍ LABORATORNÍ CVIČENÍ ASTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD - MULTIVIBRÁTOR POSTUP: DIGITÁLNÍ OBVODY POSTUP:... 36

5 Mikroelektronické praktikum L 3 Seznam obrázků OBR. 1.1 ELEKTRONICKÝ SPÍNAČ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM...6 OBR. 1.2 ZESILOVAČ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM...7 OBR. 1.3 VNITŘNÍ PROPOJENÍ KONTAKTNÍHO NEPÁJIVÉHO POLE...8 OBR. 1.4 ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU...8 OBR. 1.5 MALOSIGNÁLOVÉ MODELY BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU...9 OBR. 1.6 ZJEDNODUŠENÝ MODEL TRANZISTORU PRO RUČNÍ ŘEŠENÍ PRACOVNÍHO BODU...9 OBR. 1.7 ZÁKLADNÍ VARIANTA ZAPOJENÍ SE...10 OBR. 1.8 ZÁKLADNÍ VARIANTA ZAPOJENÍ SC...11 OBR. 1.9 ZÁKLADNÍ VARIANTA ZAPOJENÍ SB...11 OBR ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU...12 OBR ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU PRO SE...13 OBR ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU PRO SC...14 OBR ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU PRO SB...14 OBR JEDNOSTUPŇOVÝ ZESILOVAČ V ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM S TRANZISTOREM JFET...16 OBR. 2.1 JEDNODUCHÝ PŘIJÍMAČ AM...18 OBR OBR. 3.1 ZAPOJENÍ VÝVODŮ MA OBR. 3.2 INVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM...20 OBR. 3.3 NEINVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM...20 OBR. 3.4 PŘEVODNÍK PROUD - NAPĚTÍ...21 OBR. 3.5 DERIVAČNÍ OBVOD S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM...21 OBR. 3.6 AKTIVNÍ DOLNÍ PROPUST S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM...22 OBR. 4.1 LINEÁRNÍ OHMMETR S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM...23 OBR. 4.2 JEDNOCESTNÝ USMĚRŇOVAČ S OZ...23 OBR. 4.3 GENERÁTOR SIGNÁLU OBDÉLNÍKOVÉHO (TROJÚHELNÍKOVÉHO ) PRŮBĚHU...24 OBR. 4.4 DOLNÍ PROPUST...26 OBR. 4.5 HORNÍ PROPUST...26 OBR. 4.6 MULTIVIBRÁTOR S OZ...27 OBR. 4.7 PRINCIPÁLNÍ ZAPOJENÍ ZESILOVAČE A NÁSOBIČE OBR. 4.8 ČASOVÉ PRŮBĚHY NAPĚTÍ A PROUDŮ...28 OBR. 4.9 ZESILOVAČ A NÁSOBIČ...29 OBR SÉRIOVÝ AM DEMODULÁTOR...30 OBR STATICKÁ PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA DEMODULÁTORU...31 OBR ODTRŽENÍ MODULAČNÍ OBÁLKY...31 OBR PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA MĚNIČE KMITOČTU...32 OBR ADITIVNÍ SMĚŠOVAČ...32 OBR DEMODULÁTOR A SMĚŠOVAČ...33 OBR. 5.1 USPOŘÁDÁNÍ VÝVODŮ MULTIVIBRÁTORU S INVERTORY TTL, XX 7404, XX OBR. 5.2 PRINCIP VYTVÁŘENÍ PŘERUŠOVANÉHO TÓNU...35 OBR. 5.3 JINÉ ZAPOJENÍ MULTIVIBRÁTORU S INVERTORY TTL...36 OBR. 5.4 ZAPOJENÍ MULTIVIBRÁTORU S ČASOVAČEM OBR. 6.1 ZAPOJENÍ DEKADICKÉHO ČÍTAČE (4518) S INDIKACÍ STAVU POMOCÍ LED...37 OBR. 6.2 ZAPOJENÍ ČÍTAČE - HODIN S INDIKACÍ STAVU POMOCÍ SEDMISEGMENTOVÉHO DISPLEJE...38

6 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam tabulek Chyba! Nenalezena položka seznamu obrázků.

7 Mikroelektronické praktikum L 5 1 Tranzistorový spínač a zesilovač CÍL ÚLOHY: Seznámit se základním prvkem analogových i digitálních obvodů - tranzistorem a ověřit jeho zesilovací schopnost v zapojení jednoduchého spínače a nízkofrekvenčního zesilovače. Užitím bipolárního nf tranzistoru NPN a základních pasivních prvků sestavte tranzistorový spínač a zesilovač na kontaktním nepájivém poli. Vyzkoušejte funkci obou obvodů. Kontaktní nepájivé pole vám umožní velmi rychlé sestavení a snadnou změnu i opravu obvodu. Propojky realizujte drátky s odizolovanými konci 1.1 POSTUP: A) Spínač: Podle Obr. 1.1 zapojte postupně všechny součástky na desku kontaktního pole, vznikne tak jednotranzistorový elektronický spínač. Lze použít libovolný typ NPN tranzistoru, např. KC507-KC509, BC 547 apod. Při pohledu na vývody tranzistoru (ze strany vývodů): báze je u většiny tranzistorů uprostřed vlevo, kolektor nahoře a emitor dole. Před připojením napájecího zdroje k obvodu, zkontrolujte, zda je napětí nastaveno na zadanou hodnotu a proudové omezeni nastaveno přibližně na 10 až 100mA. Proudová ochrana pak většinou zamezí případnému zničení součástek při nesprávném zapojení. Spínač vyzkoušíme tak, že přiložíme odpor 1k mezi vstup IN a napájení +5V. Dáváme zároveň pozor, abychom nezkratovali tranzistor. Luminiscenční dioda (light emitting diode - LED) by se měla rozsvítit. Výstupní proud tekoucí zátěží (LED) je asi 10 krát větší než vstupní proud tekoucí do báze - tranzistor zesiluje. Tranzistory s vyšším zesilovacím činitelem b>100 je možno sepnout i přes odpor lidské kůže na prstě, který se pohybuje řádově v desítkách kiloohmů. Pokud vstup IN umístíme do blízkosti napájení +5V, získáme jednoduchý senzorový spínač. Po přemostění obou vodičů prstem se LED rozsvítí v závislosti na vstupním proudu (síle stisku), který je podle Ohmova zákona nepřímo úměrný odporu (kůže).

8 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 1k I 220 B C BC E + 220µ 2k2 B C E B C E KC507-0 DOPLŇKOVÁ ÚLOHA: Obr. 1.1 Elektronický spínač s bipolárním tranzistorem Připojte mezi vstup IN a zem (0 V) elektrolytický kapacitor 100mF (je třeba dbát na polaritu vývodů). Stejně jako v předchozím případě přemostíme vstup IN a kladné napájecí napětí +5V prstem nebo odporem řádu kiloohmů. Vytvořili jsme tak vlastně RC článek. Pozorujeme postupné rozsvěcování LED. Je to způsobeno akumulační schopností kapacitoru, který se postupně nabíjí přes odpor na vstupu. Napětí na vývodech kapacitoru roste. Po ukončení dotyku naopak LED pomalu zhasíná, kondenzátor se vybíjí do báze tranzistoru. B) Nf zesilovač: Nízkofrekvenční zesilovač vznikne ze spínače jednoduchou obměnou pasivních prvků podle níže uvedeného Obr Hlavní odlišností je odpor mezi bází (B) a kolektorem (C), který slouží k nastavení proudu do báze tranzistoru tak, aby na kolektoru bylo napětí rovné přibližně polovině napájecího napětí - nastavuje tzv. pracovní bod tranzistoru. Změnou proudu báze kolem nastavené hodnoty dosáhneme změny napětí v kolektoru - tranzistor může v tomto zapojení zesilovat střídavý signál. Kapacitory na vstupu i výstupu, oddělují zesilovač od okolních obvodů. Tak je zaručeno, že např. při zapojení generátoru nedojde ke změně nastaveného pracovního bodu. Zesilovač vyzkoušíme pomocí nf generátoru. Úroveň výstupního signálu generátoru nastavíme na velikost několika desítek milivoltů a frekvenci zvolíme do slyšitelné oblasti např. 1kHz. Na vstup NF IN zesilovače připojíme sluchátko jako elektroakustický měnič. Slyšíme slabý zvuk. Nyní přepojíme živý konec sluchátka na výstup zesilovače NF OUT. Zvuk je podstatně silnější - obvod zesiluje. Vstupní i výstupní signál zobrazte osciloskopem v dvoukanálovém režimu a pozorujte jaký vliv má nastavení pracovního bodu tím, ze změníte hodnotu odporu 47k (odpor můžete nahradit potenciometrem 500k s ochranným odporem 1k v sérii). Pracovní bod je dobře nastaven, pokud výstupní signál není příliš zkreslen. Optimum

9 Mikroelektronické praktikum L 7 se dosáhne, když je na kolektoru přibližně polovina napájecího napětí. Z úrovně vstupního a výstupního signálu určete napěťové zesílení obvodu Nf gen OUT NF 2µF B 47k 220µF + C NF E 0 Obr. 1.2 Zesilovač s bipolárním tranzistorem PRO ZVLÁŠTĚ POKROČILÉ: Přidejte k zesilovači komplementární stupeň s výkonovými tranzistory v zapojení se společným kolektorem. Takto získáte základní zapojení nízkofrekvenčního výkonového zesilovače, vhodného např i pro napájení reproduktoru. Barevný kód rezistoru: 1.číslice 2.číslice Násobitel Tolerance % (počet nul) Hnědá Červená Oranžová Žlutá Zelená Modrá Fialová Šedá Bilá Černá Zlatá Stříbrná Pozn.: Některé přesnější druhy rezistorů mají 3 číslice, místo 2 číslic ( jeden proužek navíc).

10 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 1.3 Vnitřní propojení kontaktního nepájivého pole 1.2 Tranzistorové zesilovače Základní zapojení přehled Bipolární tranzistor je možné zapojit jedním ze tří základních způsobů, Obr Na obrázku jsou uvedena zjednodušená schémata pro střídavé signály. Rezistor R 1 vyjadřuje ekvivalentní odpor připojený ke vstupní svorce tranzistoru, R 2 je pak celkový odpor připojený k výstupní svorce. Obr. 1.4 Základní zapojení bipolárního tranzistoru Předpokládáme-li, že tranzistorový zesilovač pracuje s malými signály a nízkými kmitočty, můžeme jeho vlastnosti vyjádřit obecně několika základními charakteristikami. Proudové, napěťové a výkonové zesílení i vstupní a výstupní odpor tranzistoru jsou dány parametry tranzistoru ve zvoleném pracovním bodu a závisí rovněž na velikosti zátěže R 2, resp. ekvivalentnímu odporu budícího generátoru R 1. U 2 napěťové zesílení A U = U1 I 2 proudové zesílení A I = I1 P2 výkonové zesílení A P = = AU AI P1 U1 vstupní odpor R VST = I 1

11 Mikroelektronické praktikum L 9 U 20 výstupní odpor RVYST = I 2K (U 20 je výstupní napětí naprázdno, I 2K je výstupní proud nakrátko) Modelování tranzistorů Pro modelování tranzistorů v nízkofrekvenční oblasti se používá formální hybridní model (definovaný H-parametry) nebo fyzikální Giacolettův model (někdy označovaný jako hybridní π model), obr. 2. rmi h11 h12 h21 h22 rx rpi Cmi Cpi gm ro Obr. 1.5 Malosignálové modely bipolárního tranzistoru Parametry H jsou obecně komplexní, parametry Giacolettova modelu jsou reálné a konstantní do frekvence 0.1 f T. Při zanedbání zpětného působení (parametr h12, resp. C µ, r µ ) a odporu rx mezi vnější a vnitřní bází jsou oba modely podobné. Parametry Giacolettova modelu je možné odhadnout ze znalosti pracovního bodu: strmost: vstupní odpor: výstupní odpor: g m 35I C (pro nízké hodnoty IC) β r = π g m V r O = I E C kde β (h 21E ) je proudový zesilovací činitel, V E je Earlyho napětí (typ. 100V) a I C je stejnosměrný kolektorový proud. Obecně u bipolárních tranzistorů je problémem výrobní rozptyl a teplotní závislost parametrů. U netříděných tranzistorů je v případě parametru β (h 21E ) nutné počítat s rozptylem 50%+100%, u tříděných obvykle ±30%. Pro omezení vlivu tohoto rozptylu musí v obvodu existovat nějaký druh zpětné vazby. Pro ruční návrh pracovního bodu postačí použít model podle Obr Emitorový přechod se modeluje jako napěťový zdroj U BE, kolektor pak proudovým zdrojem. Ube Ic=beta Ib Obr. 1.6 Zjednodušený model tranzistoru pro ruční řešení pracovního bodu Zapojení SE

12 10 FEKT Vysokého učení technického v Brně Zapojení SE se v technické praxi vyskytuje nejčastěji. Vstupní signál je přiveden mezi bázi a emitor, výstupní se odebírá v obvodu kolektor-emitor. PN přechod báze-emitor je pólován v propustném směru, proto je vstupní odpor mezi bází a emitorem malý (řádově kω). Je zřejmé že vzhledem k hodnotě vstupní odporu je třeba do tranzistoru dodávat pro jeho řízení určitý výkon. Ve výstupním obvodu vykazuje tranzistor na kolektoru velký výstupní odpor (desítky až stovky kω) ke kterému je ovšem nutno přidat paralelně daleko nižší odpor R C. Velmi často se do emitoru zapojuje rezistor R E, který zavádí sériovou proudovou zápornou zpětnou vazbu, která snižuje zesílení, zvyšuje vstupní i výstupní odpor. Záporná zpětná vazba také snižuje vliv rozptylu parametrů a teplotních závislostí. Pro zapojení na Obr. 1.7 je možné odvodit následující zjednodušené vztahy, které poslouží pro orientační výpočty: Ucc Rb1 Rc Rb2 Re Ce Obr. 1.7 Základní varianta zapojení SE zesílení naprázdno A g = 1 R >>1 m C U 0 & pro AUO, kde Z + g m Z E VST b1 b2 m E vstupní impedance Z = & R R rπ ( 1+ g Z ) výstupní odpor R VYST =& R C E je impedance spojení R E C E Emitorový kondenzátor C E se používá pokud je třeba pro střídavý signál zablokovat rezistor R E a tím zvýšit zesílení v oblasti středních kmitočtů. Pro dobrou stabilizaci pracovního bodu jednostupňového zapojení se doporučuje napětí U E 1 2V, příčný proud bázovým děličem I = ( 3 10) I. = D B Zapojení SC V základním zapojení SC je vstupní signál přiváděn mezi bázi a kolektor a výstupní signál odebírán mezi emitorem a kolektorem. Tomuto zapojení se říká emitorový sledovač, protože výstupní napětí sleduje co do amplitudy i fáze vstupní napětí (U 2 =& U V ). Vstupní odpor je vysoký ( βr 2 ), výstupní odpor nízký ( R 1 / β + 1/ gm ), Obr Pro zapojení na Obr. 1.8 je možné odvodit zjednodušené vztahy. Protože je u toho zapojení silná vazba mezi vstupem a výstupem ( h 12C 1), tak se na vstupní i výstupní impedanci silně podílí odpor zátěže i generátoru.

13 Mikroelektronické praktikum L 11 Ucc Rb1 Rb2 Re zesílení naprázdno A Obr. 1.8 Základní varianta zapojení SC g m RE = 1+ g R U 0 & m E VST = b1 b2 π 1+ vstupní odpor R & R R r ( g R ) 1 R výstupní odpor 1 R = VYST & RE + gm β kde R 2 je paralelní kombinace R E a odporu zátěže a R 1 přestavuje paralelní kombinaci R b1, R b2 a vnitřního odporu zdroje signálu. U zapojení SC vznikají při kapacitní zátěži problémy se stabilitou. Zapojení SB Vstup je připojen mezi emitor a bázi, výstup mezi kolektor a bázi. Budícím proudem je emitorový proud. V tomto zapojení nemůže tranzistor proudově zesilovat. Vstupní odpor je malý ( 1/ g m ), výstupní odpor na kolektoru je velký, prakticky je určen RC. Pro zapojení na Obr. 1.9 je možné odvodit zjednodušené vztahy: m 2 Rc Ucc Rb1 Re Cb Rb2 zesílení naprázdno vstupní odpor výstupní odpor R VYST Obr. 1.9 Základní varianta zapojení SB A U 0 =& gm RC 1 R VST =& R g =& R C m E

14 12 FEKT Vysokého učení technického v Brně Kondenzátor C B, který je použitý na střídavé uzemnění báze vnáší v oblasti nízkých kmitočtů do přenosové funkce nulu a pól. 1.3 Doplňující počítačové cvičení Zadání: 1. Podle zadání vyučujícího odvoďte vztahy pro A U, R VST a R VYST pro dané zapojení za použití H parametrů. Pro řešení použijte program SNAP. 2. Pokud je to v zadání požadováno, tak pro zadanou hodnotu zesílení vypočtěte R C, resp. R E a pro fixní hodnoty prvků měřícího přípravku dopočítejte R VST, R VYST a horní a dolní mezní frekvenci. Použijte katalogové hodnoty H parametrů přepočítané na daný pracovní bod. 3. Pomocí programu PSpice analyzujte daný obvod a stanovte teoretické hodnoty A U, R VST a R VYST a f D a f H. Popis měřícího přípravku Přípravek je zapojen podle obr. 7 a umožňuje vzájemným propojováním jednotlivých částí vytvořit všechna tři základní zapojení. Rezistory R C a R E jsou realizované jako výměnné z řady E24. Nastavení pracovního bodu je pro snížení počtu nutných výměnných prvků realizováno potenciometrem P1. Ze stejných důvodů jsou i kondenzátory řešené jako fixní prvky přípravku. Rezistorový dělič slouží pro snížení napětí generátoru při měření zapojení s velkým ziskem a pro vytvoření zdroje s nízkým výstupním odporem pro měření zapojení SB. Z důvodů omezeného frekvenčního rozsahu měřících přístrojů je pro určování f H použitá záměrně velká kapacitní zátěž 1,5nF. Přípravek se napájí ze zdroje stejnosměrného napětí 15V. GEN Uvst P1 10k 100R Rc +15V 100k 22u Cv2 100R 1k 10k 470R 2.2u Cv1 22u 4R7 Ub Re Cz 1.5n 22u Ce 100R 1k 10k Uvyst OSC Obr Zapojení přípravku Zadání

15 Mikroelektronické praktikum L Změřte a zakreslete závislost A U = f(f) pro C Z = 0 a 1.5nF v rozsahu kmitočtů 10Hz až 1MHz. Ověřte vliv vazebního kondenzátoru C V1 na průběh charakteristiky. 2. Změřte závislost u 2 = f(u 1 ) při f = 1kHz. 3. Při f = 1kHz pomocí změny odporů zátěže a budícího zdroje stanovte R VST a R VYST zesilovače. Pokyny k zadání Při všech měřeních nastavte stejnosměrný pracovní bod tranzistoru (tj. bez střídavého signálu) tak, aby napětí mezi kolektorem a emitorem bylo rovno přibližně polovině napájecího napětí, což zajišťuje činnost zesilovače ve třídě A. Tvar výstupního signálu kontrolujte při měření osciloskopem. Při změně zapojení odpojte napájecí i budící zdroje! P1 10k Rc +15V 100k 22u Cv2 100R 1k 10k 470R 4R7 Cv1 2.2u Re Cz 1.5n 22u Ce 100R 1k 10k Obr Zapojení přípravku pro SE

16 14 FEKT Vysokého učení technického v Brně P1 10k 100R +15V 100k 22u Cv2 100R 1k 10k Cv1 2.2u Re Cz 1.5n 22u Ce 100R 1k 10k Obr Zapojení přípravku pro SC V zapojení SC je pro zajištění stability a ochranu tranzistoru zařazený do kolektoru pomocný RC člen. P1 10k Rc +15V 100k 22u Cv2 100R 1k 10k 470R 2.2u 4R7 22u Re Cz 1.5n 100R 1k 10k Obr Zapojení přípravku pro SB Ad 1 Generátor připojte přímo nebo přes dělič tak, aby zesilovač nebyl přebuzený. Tvar výstupního napětí sledujte na osciloskopu. Ad 2 Při měření zvyšujte napětí generátoru, až do hodnoty, při které dojde ke zkreslení. Ad 3 Při měření vstupního odporu zařaďte sériově s generátorem vhodnou hodnotu vestavěného rezistoru R S, což způsobí pokles výstupního napětí (vznikne napěťový dělič). Z poklesu napětí a známé hodnoty R S je možné vypočítat vstupní odpor zesilovače. Pro měření výstupního odporu podobným postupem zařazujte paralelně R Z a ze změřeného poklesu výstupního napětí vypočtěte R VYST.

17 Mikroelektronické praktikum L Zesilovač s bipolárním tranzistorem Zadání: Sestavte a změřte jednostupňový zesilovač s bipolárním tranzistorem v zapojení SE. Velikost kolektorového proudu I C nastavte 2,27 ma a napájecí napětí použijte 15 V. +15V Rb Rc u1 u2 Schéma zapojení měřeného zesilovače 1) Změřte proudový zesilovací činitel použitého tranzistoru β při kolektorovém proudu 2,27 ma. 2) Pomocí změřené hodnoty β vypočítejte hodnotu bázového rezistoru R B a sestavte zesilovač. 3) Zkontrolujte správnost nastavení pracovního bodu. Kolektorový proud musí být 2,27 ma a na kolektoru tranzistoru musí být napětí 7,5V. Pozorujte na osciloskopu průběhy vstupního a výstupního napětí a tyto průběhy zakreslete (platí i pro bod č. 6). 4) Změřte zesílení zesilovače při buzení harmonickým napětím o kmitočtu 1 khz. 5) Zjistěte, jaké maximální vstupní napětí je zesilovač schopen zpracovat bez zkreslení. Jaký tvar bude mít výstupní signál překročíte li velikost tohoto napětí? 6) Posuňte pracovní bod zesilovače zmenšením a zvětšením kolektorového proudu (změnou rezistoru R B ). Jak se tato zněna projeví na tvaru výstupního napětí? Měřte se vstupním signálem asi o 3 db nižším, než je maximální zesilovačem zpracovatelné napětí.

18 16 FEKT Vysokého učení technického v Brně 1.5 Zesilovač s tranzistorem JFET Obr Jednostupňový zesilovač v zapojení se společným emitorem s tranzistorem JFET Zadání: 1) Navrhněte a spočítejte hodnoty součástek zesilovače na obr. 1. Kolektorový proud zvolte 2,5 ma. Použitý tranzistor je JFET typu BF245B s kanálem N. 2) Sestavte tento zesilovač a zkontrolujte správnost nastavení pracovního bodu. 3) Změřte zesílení zesilovače při buzení harmonickým signálem o kmitočtu 1kHz. 1.6 Proudový zdroj Zadání: Sestavte a změřte proudové zrcadlo podle schématu: 1) Emitor tranzistoru T 1b propojte se zemí. Změřte zatěžovací charakteristiku proudového zdroje, tj. závislost proudu tekoucího rezistorem R Z. Na místo R Z zapojujte rezistory, jejichž

19 Mikroelektronické praktikum L 17 odpor postupně zvětšujte od 0 Ω. Μěřte proud i Cb. Přesáhne li velikost odporu R Z asi 22 kω, přestane se obvod chovat z důvodu konečné velikosti napájecího napětí jako proudový zdroj. S rostoucí velikostí R Z bude klesat i Cb. 2) Zapojte do obvodu rezistor R 2 s odporem v rozsahu 50 Ω až 500 Ω. Vypočítejte velikost proudu i C2b a správnost výpočtu ověřte měřením. Změřte zatěžovací charakteristiku takto upraveného proudového zdroje. Postupujte podle bodu 1. s tím rozdílem, že zatěžovací charakteristika začne klesat od většího odporu R Z, protože proud i Cb bude menší a tím pádem bude menší úbytek napětí na R Z, než bodě Diferenční zesilovač Zadání: 1) Změřte převodní charakteristiku diferenčního zesilovače. Vstup u 12 propojte se zemí. Vstup u 11 buďte stejnosměrným napětím o velikostech 0, ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±80, ±100, ±200 mv (informativní hodnoty v případě použití jiných součástek nutno upravit). Měřte výstupní diferenciální napětí u 2d a emitorový proud tranzistorové dvojice T 1. 2) Zaměňte vstupy u11 a u12 a opakujte měření podle bodu 1.

20 18 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2 Radiopřijímač CÍL ÚLOHY: Postavte si svůj vlastní dvoustupňový radiopřijímač AM s přímým zesílením na kontaktním nepájivém poli. Jedna se o maximálně zjednodušený přijímač, s přijatelnou hlasitostí, bez nároku na kvalitu. Funkčnost prokažte naladěním aspoň jedné stanice. 2.1 POSTUP: Součástky zapojte podle schema na obr.3. Při zapojování se vyhýbejte dlouhým spojům, aby se přijímač nerozkmital. Pokud není po připojení zdroje slyšet žádná stanice, zkuste posouvat cívku po feritové tyčce, zkontrolujte zapojení tranzistorů resp. seřiďte pracovní body tranzistorů změnou odporů 2M2 a 22k. Pokud je hlasitost slabá, pomůže, když živý konec cívky připojíte na delší drát - anténu. K optimálnímu nastavení pracovních bodů vám pomůže osciloskop. Pracovní body lze také jednoduše překontrolovat voltmetrem. Napětí na kolektorech tranzistoru jsou při dobrém nastavení přibližně 2,5V až 3,5V. Po naladění stanice pozorujte na vstupu přijímače amplitudově modulovány signál a odpovídající nf demodulovaný signál na výstupu. Pokuste se pomocí osciloskopu určit frekvenci naladěné stanice. +5 3n3 4k7 22k 2M 100n 47n 20-0 Obr. 2.1 Jednoduchý přijímač AM DOPLŇKOVÁ ÚLOHA: Nahraďte první stupeň přijímače tranzistorem PNP místo NPN, abyste ověřili, že oba typy tranzistoru jsou v podstatě rovnocenné

21 Mikroelektronické praktikum L 19 47n +5V 100n 2M 4k7 0V Obr Operační zesilovač - základní zapojení CÍL ÚLOHY: Seznámit se s důležitým prvkem analogové měřící techniky - operačním zesilovačem. Ověřit funkci OZ v invertujícím a neinvertujícím zapojení pro různé typy zpětných vazeb. 3.1 POSTUP: Operační zesilovač je stejnosměrný napěťový zesilovač a je výhodný zejména tím, že za určitých podmínek zesiluje lineárně a jeho chováni je dáno pouze vnější zpětnovazební sítí. OZ má vysoké zesílení, avšak není příliš vhodný k použití pro vyšší frekvence. Pro následující zapojení použijte typ s vnitřní kompenzací např. dvojnásobný OZ MA1458. OZ vyžaduje většinou symetrické napájení např. +10V -10V. Proto je nutné zařadit dva napěťové zdroje do série. Obr. 3.1 Zapojení vývodů MA1458 A) Invertující OZ: Zapojte OZ podle schématu. Výstupní napětí U OUT = -U IN. R2/R1. V našem případě je zesílení -10. Vztah platí pro stejnosměrná i střídavá napětí. Na vstup připojte nf generátor a sledujte osciloskopem vstup i výstup. Na nižších frekvencích je zesílení přesně dáno poměrem R1/R2 a fázový posuv je 180. Pozorujte pokles amplitudy na výstupu a fázový posuv mezi

22 20 FEKT Vysokého učení technického v Brně vstupem a výstupem s rostoucí frekvencí vstupního signálu. Také pokud je vstupní napětí příliš vysoké (>1V pro zesílení -10), dochází ke zkreslení - saturaci OZ. R2 100k -10V IN R1 10k OUT 8 GND +10V GND Obr. 3.2 Invertující zesilovač s operačním zesilovačem B) Neinvertující OZ: Pro výstupní napětí platí U OUT = U IN. (1+R2/R1). V daném případě je zesílení tedy +11. Ověřte vlastnosti neinvertujícího OZ stejně jako v předchozím případě. +10V IN OUT -10V 4 R2 100k GND R1 10k GND Obr. 3.3 Neinvertující zesilovač s operačním zesilovačem C) Převodník proudu na napětí: Často používaným zapojením je převodník I/U realizovaný pomoci OZ. OZ zajišťuje dobrou linearitu i zesílení. Převodní poměr u následujícího převodníku je 1V/mA. Vstup IN připojte na napájecí napětí +10V přes potenciometr 10k-100k, který je v sérii s ampérmetrem. Na výstup připojte voltmetr. Ověřte funkci převodníku pro různé vstupní proudy.

23 Mikroelektronické praktikum L 21 R2 1k -10V IN OUT GND 8 +10V GND Obr. 3.4 Převodník proud - napětí D) Derivační obvod: Derivační obvod derivuje vstupní signál a zároveň se chová jako horní propust - stejnosměrné napětí nezesiluje. Na vstup přiveďte 100Hz pravoúhlý signál o amplitudě asi 1V. Na osciloskopu vidíte, že výstupní signál je derivací signálu vstupního. Po celou dobu, kdy je vstupní napětí konstantní je na výstupu obvodu napětí, rovnající se v prvním přiblížení nule. Vyzkoušejte také sinusový signál. Pokud změníte frekvenci, změní se i amplituda výstupního napětí - zesílení je frekvenčně závislé. Určete zesílení pro 3 různé frekvence v okolí 1kHz. Zjistíte, ze frekvenční charakteristikou je přímka (dokud se neprojeví pokles zesílení OZ na vyšších frekvencích). R2-10V 22k IN C 10n OUT 8 GND +10V GND Obr. 3.5 Derivační obvod s operačním zesilovačem E) Aktivní dolní propust: Níže uvedené schéma je aktivní dolní propust 1.řádu. Je to jednoduchý filtr, který má pro nízké frekvence a stejnosměrné napětí zesílení -2,2, ale signál s vvyšší frekvencí potlačuje.

24 22 FEKT Vysokého učení technického v Brně Na vstup připojte nf generátor a nastavte vstupní napětí asi na 1V. Mezní frekvenci pro pokles -3dB zjistíte tak, že postupně zvyšujete frekvenci generátoru, až výstupní napětí klesne na 70% původní hodnoty. Výstupní napětí nyní klesá lineárně s frekvencí. Většího poklesu výstupního napětí dosáhnete, když zařadíte 2 stejné filtry za sebe do kaskády (použijete také 2.polovinu OZ 1458). C R2 10n 22k -10V IN R1 10k OUT 8 +10V GND GND Obr. 3.6 Aktivní dolní propust s operačním zesilovačem 4 Operační zesilovač - vybrané aplikace CÍL ÚLOHY: Seznámit se s některými aplikacemi OZ. Realizujte ohmetr, usměrňovač a generátor pravoúhlých kmitů s OZ. 4.1 POSTUP: A) Lineární ohmetr: Jednoduchý, ale přesný ohmetr lze realizovat na základě invertujícího zapojeni OZ. Platí U 2 = R X. (-U REF /R 1 ). Výstupní napětí je tedy přímo úměrné neznámému odporu R X a konstantě U REF /R 1. Na vystup OZ připojte digitální nebo analogový voltmetr. Pokud vhodně zvolíte konstantu U REF /R 1 např. R 1 =10k a U REF =-10V, voltmetr bude ukazovat odpor přímo v kiloohmech. Ocejchujte ohmetr s přesností aspoň 5% pomocí několika dobře známých odporů. Všimněte si, že nelze měřit odpory větší než přibližně 8kΩ, protože OZ samozřejmě nemůže dodat větší napětí než je napájecí napětí, tzn. OZ přechází do saturace. Upravte ohmetr tak, aby bylo možné měřit odpory do 80kΩ.

25 Mikroelektronické praktikum L 23 Rx -10V Vref R1 2 10k OUT GND 8 +10V GND Obr. 4.1 Lineární ohmmetr s operačním zesilovačem B) Jednocestný usměrňovač s OZ: Další aplikace opět využívá invertujícího zapojeni OZ. Obvod však obsahuje nelineární zpětnou vazbu a chová se jako usměrňovač signálu (tzv. ideální dioda). Na rozdíl od obyčejné diody je usměrňovač s OZ mnohem přesnější, ale nevýhodou je, že vyžaduje napájení a přestává usměrňovat s rostoucí frekvencí vstupního signálu. Na vstup usměrňovače IN připojte nf generátor, na kterém nastavte přibližně kmitočet 500Hz a amplitudu 0.5V. Sledujte osciloskopem vstupní střídavý a výstupní usměrněný signál. Zjistěte, jak se chová usměrňovač, když změníte úroveň vstupního signálu nebo zvýšíte jeho frekvenci. Pokuste se (s využitím 2. poloviny OZ) sestavit také dvoucestný usměrňovač. R2 100k OUT -10V IN R1 2 10k V GND GND Obr. 4.2 Jednocestný usměrňovač s OZ C) Generátor pravoúhlého signálu: OZ lze také snadno využít ke generování signálu signálů různých průběhů - sínus, pila, trojúhelník, obdélník apod. Následující zapojení je jednoduchý generátor pravoúhlého signálu. OZ zde pracuje jako komparátor s hysterezí. Jeho výstupní napětí je za normálních podmínek obdélníkové a dosahuje hodnoty asi o 1,5V menší než napájecí napětí. Odporový dělič R1, R2 slouží jako zdroj měnícího se napětí pro neinvertující vstup OZ-komparátoru.

26 24 FEKT Vysokého učení technického v Brně Velikost tohoto napětí určuje rozkmit napětí na kapacitoru C (invertující vstup). Rezistor R3 slouží jako proudový zdroj pro nabíjení/vybíjení kapacitoru. Kmitočet generátoru je závislý na rychlosti nabíjení kapacitoru a na velikosti napětí, při kterém dojde k překlopení komparátoru. Pro realizaci generátoru vyhoví široký rozsah hodnot součástek např. C=100nF-1uF, R1=1k-10k, R2=10k-100k, R3=10k-1M. R3-10V OUT C +10V 8 R2 R1 GND Obr. 4.3 Generátor signálu obdélníkového (trojúhelníkového ) průběhu Prohlédněte si pomocí osciloskopemu průběhy napětí v jednotlivých uzlech a určete frekvenci vašeho generátoru. Potom nahraďte R1 nebo R2 potenciometrem a měňte frekvenci generátoru. Zjistíte, že na vyšších frekvencích je výstupní signál lichoběžníkový a později již trojúhelníkový. Je to způsobeno zejména konečnou dobou přeběhu, která je u OZ 1458 asi 0.5V/us. Přidáním diody se sériovým rezistorem paralelně k R3 lze dosáhnout nesymetrie obdélníkového signálu (změnou střídy). Jestliže R3 nahradíte také potenciometrem, budete moci měnit střídu i kmitočet. Kmitočet můžete také měnit, pokud na neinvertující vstup přivedete přes odpor vhodné velikosti napětí (obvod se chová jako generátor s napěťově řízenou šířkovou modulací). Zadání 1) Navrhněte a sestavte neinvertující zesilovač se zesílením 1 a 10. Měřením ověřte správnou funkci zesilovače při buzení harmonickým signálem o kmitočtu 1 khz a určete fázový posuv výstupního signálu vůči vstupnímu. 2) Navrhněte a sestavte invertující zesilovač se zesílením 1 a 10. Měřením ověřte správnou funkci zesilovače při buzení harmonickým signálem o kmitočtu 1 khz a určete fázový posuv výstupního signálu vůči vstupnímu.

27 Mikroelektronické praktikum L 25 Neinverující zesilovač Invertující zesilovač TL 081, MAA 741 TL Horní a dolní propust s operačním zesilovačem Zadání: Změřte kmitočtové charakteristiky invertujícího zesilovače s kmitočtově nezávislou a kmitočtově závislou zpětnou vazbou. 1) Změřte kmitočtovou charakteristiku inverujícího zesilovače se zesílením 1. 2) Změřte kmitočtovou charakteristiku dolní propusti. 3) Změřte kmitočtovou charakteristiku horní propusti. Měřte při kmitočtech do 20 khz, charakteristiky vynášejte do grafu s logaritmickým měřítkem.

28 26 FEKT Vysokého učení technického v Brně 15nF 10k 10k u1 u2 Obr. 4.4 Dolní propust 10k u1 15nF 10k u2 Obr. 4.5 Horní propust 4.3 Multivibrátor s OZ Zadání: 1) Sestavte multivibrátor podle schématu. Měřte kmitočet výstupního signálu alespoň se třemi různými hodnotami rezistoru R 1, a kondenzátoru. 2) Zobrazte na stínítku osciloskopu průběh výstupního napětí spolu s napětím na invertujícím vstupu OZ.

29 Mikroelektronické praktikum L 27 R1 3k3 Výstup R2 15k 58nF R3 15k Obr. 4.6 Multivibrátor s OZ 4.4 Zesilovač a násobič ve třídě C Teoretický úvod Zesilovač ve třídě C využívá záměrné zkreslení vstupního signálu, kdy dojde k obohacení jeho spektra a následného výběru některé složky pomocí frekvenčně selektivního obvodu. Je-li selektivní obvod naladěný na první harmonickou, pak hovoříme o zesilovači ve třídě C, je-li naladěný na některou vyšší harmonickou, pak se jedná o násobič. Aktivní prvek takového obvodu musí nutně pracovat v nelineárním režimu. Uvažujme modelové zapojení na Obr Ucc L C R I U2 U1 Obr. 4.7 Principální zapojení zesilovače a násobiče. Statickou převodní charakteristiku I = f(u 1 ) aktivního prvku (tranzistoru) budeme aproximovat pro jednoduchost lomenou přímkou. Dále budeme předpokládat harmonické buzení takové intenzity, při kterém bude na kolektoru tranzistoru stále kladné napětí (normální aktivní režim), Obr V uvažované laboratorní úloze budeme vzhledem k použitým frekvencím považovat tranzistor za nesetrvačný prvek.

30 28 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 4.8 Časové průběhy napětí a proudů Kolektorový proud bude mít časový průběh tvořený částmi sinusové funkce, který je charakterizovaný polovičním úhlem otevření Θ a maximální hodnotou I M. Spektrální složky kolektorového proudu je možné pak vyjádřit jako I = α (Θ) I ( 4.1 ) n n M kde α n jsou koeficienty, které je možné pro danou aproximaci stanovit analyticky. Jejich grafické znázornění v závislosti na Θ se nazývá Schulzův diagram. Zátěž tvoří rezonanční obvod RLC (zahrnující i případnou vstupní impedanci dalšího stupně). Je naladěný na některou harmonickou. Z hlediska efektivnosti prováděné operace (zesilování, násobení) je důležité, že koeficienty α vykazují maximum při polovičním úhlu otevření 120 Θ opt = ( 4.2 ) n Pomocí amplitudy a stejnosměrné složky vstupního napětí se nastaví požadované parametry Θ a I M kolektorového proudu. Za předpokladu, že činitel jakosti rezonančního obvodu je dostatečně vysoký, pak výstupní napětí má harmonický průběh s amplitudou U 2 = R rez I n ( 4.3 ) kde R rez je rezonanční odpor obvodu a I n příslušná harmonická složka proudu. Stejnosměrný příkon je pak dán napájecím napětím a stejnosměrnou složkou kolektorového proudu Pp = U CC I 0 ( 4.4 )

31 Mikroelektronické praktikum L Počítačové cvičení Zadání: 1. Pro zadané parametry zesilovače ve třídě C nebo násobiče stanovte analytické vztahy pro určení optimální hodnoty stejnosměrné a střídavé složky vstupního napětí. 2. Aproximaci převodní charakteristiky proveďte na základě počítačového modelu.vypočtené hodnoty ověřte simulací programem PSpice pro číselné hodnoty ostatních prvků podle měřícího přípravku. Popis měřícího přípravku Na Obr. 4.6 je schéma zapojení přípravku se zesilovačem ve třídě C a násobičem kmitočtu. Selektivní zátěž je z praktických důvodů realizovaná jako pevně naladěný kmitavý obvod na frekvenci přibližně 50kHz, ke kterému je možné paralelně připojit dva zatěžovací rezistory. Doladění do rezonance se provede zněnou nastavení frekvence budícího generátoru. Báze i kolektor tranzistoru jsou doplněné o ochrannou diodu. Pracovní bod tranzistoru (stejnosměrná i střídavá složka) se nastavuje pomocí budícího generátoru. Rezistor v bázi plní ochrannou funkci. Pomocí odporu v emitoru se snižuje strmost a zároveň měří proud tranzistoru. Pracovní frekvence je záměrně volena tak, aby se neuplatnily setrvačné vlastnosti tranzistoru. 10V 100uH 100nF 1k BC Obr. 4.9 Zesilovač a násobič Zadání 1. Změřte převodní charakteristiku aktivního prvku a aproximujte ji lomenou přímkou. 2. Pro zadanou hodnotu Θ a I M postupem odvozeným v počítačovém cvičení nastavte pracovní parametry zesilovače nebo násobiče. Osciloskopem zobrazte a zaznamenejte průběh kolektorového (resp. emitorového) proudu a amplitudu výstupního napětí. 3. Dále změřte závislost příslušného koeficientu α na polovičním úhlu otevření Θ. Při měření kontrolujte, aby tranzistor pracoval v aktivním režimu.

32 30 FEKT Vysokého učení technického v Brně Pokyny k zadání Ad 1 Při měření statické převodní charakteristiky na vstup připojte generátor, nastavte frekvenci 1kHz a co nejnižší výstupní napětí. Z důvodu snížení výkonové ztráty na tranzistoru je možné snížit napájecí napětí. V režimu X-Y zobrazte a zaznamenejte statickou převodní charakteristiku I C = f(u 1 ). Ad 2 Nastavte vypočtené hodnoty na generátoru a změnou frekvence v okolí f 0 vylaďte obvod do rezonance. Kabel osciloskopu musí být připojený (kapacita 100pF). Ad 3 Podobným postupem stanovte několik bodů v okolí optimálního úhlu otevření (krok 10 ) a pro každý zaznamenejte výstupní napětí a I M. Porovnejte výsledky s teoretickým průběhem. 4.6 Demodulátor a směšovač Demodulátor AM signálu Na Obr je principální schéma sériového asynchronního AM demodulátoru. U1 C R U2 Obr Sériový AM demodulátor Na jeho výstupu se objeví signál odpovídající amplitudě modulovaného vf signálu. Kromě této složky je na výstupu několik složek o kmitočtu nosné a jejích násobků. Tyto nežádoucí složky se musí odfiltrovat. Od demodulátoru obvykle požadujeme, aby výstupní nf složka napětí svým tvarem odpovídala nezkreslenému průběhu obálky vstupního napětí. Pro zapojení na obr. 2.1 je možné stanovit statickou převodní charakteristiku U 2DC = f(u 1AC ). Nemá-li při demodulaci dojít ke zkreslení, je nutné, aby vstupní napětí nepokleslo pod hodnotu U 1ACmin. Pod touto hranicí dochází ke zkreslení. Pro známou amplitudu nosné U 1 je pak možné stanovit maximální hloubku modulace m: U1 AC min 1( mmax = U 1 ) ( 4.5 )

33 Mikroelektronické praktikum L 31 U 2DC U 1AC U 1ACmin Obr Statická převodní charakteristika demodulátoru Pro správnou činnost demodulátoru musí být zajištěno, aby filtrační člen RC umožňoval sledování obálky vstupního napětí a zároveň dostatečně odfiltroval nosnou a její harmonické násobky. Časová konstanta τ = RC je omezena podmínkou 1 Ω max 1 >>τ >> ω 0 ( 4.6 ) kde Ω max je maximální kmitočet modulačního signálu a ω 0 je kmitočet nosné. V případě nesplnění horní omezující podmínky v ( 4.6 ) dochází k tzv. odtržení modulační obálky, Obr. 4.12, který způsobí zkreslení demodulovaného signálu. Obr Odtržení modulační obálky Směšovač Jako měniče kmitočtu označujeme nelineární obvody, které slouží k posunutí kmitočtového spektra daného vstupního signálu o diferenci ω H. Nutnou součástí měniče kmitočtu je zdroj pomocného signálu ω H a nelineární směšovací obvod. Výsledkem směšování vstupního signálu o frekvenci ω i a pomocného signálu ω H je bohaté spektrum, ze kterého vybereme užitečnou spektrální složku pomocí selektivního filtru, Obr

34 32 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr Principiální schéma měniče kmitočtu Z obvodového hlediska je směšovač trojbran, jehož dvě brány jsou vstupní a jedna brána je výstupní. Získáme-li směšovací produkt působením součtu dvou veličin na nelineární prvek, mluvíme o aditivním směšování. Pokud použijeme pro směšování parametrický prvek, kde pomocný signál bude měnit např. strmost převodní charakteristiky, bude výsledný směšovací produkt úměrný součinu dvou veličin, a jde tedy o směšování multiplikativní. V naší úloze je směšovač tvořen diodou, na niž působí součet dvou signálů, Obr Ui U H Σ PP Obr Aditivní směšovač Působí-li na nelineární obvod kromě stejnosměrné složky několik harmonických složek s kmitočty ω 1, ω 2..., pak se ve spektru výstupní veličiny objeví i složky, s kombinačními kmitočty k1 ω1 + k2ω2 +..., kde ki jsou celá čísla. V případě polynomiální nebo exponenciální aproximace lze pro amplitudy dílčích složek nalézt analytické vztahy. Vybereme-li pomocí pásmové propusti jednu složku v případě směšovače součtový nebo rozdílový produkt, pak dostáváme nelineární systém, kde vstupní i výstupní signál je harmonický. V tomto případě je možné zavést pojem činitele přenosu analogicky s lineárními obvody. U směšovače definujeme tzv. konverzní (směšovací) přenos jako U U O S = ( 4.7 ) i kde U O je amplituda příslušného součtového nebo rozdílového produktu a U i je amplituda vstupního signálu. Takto definovaný parametr na rozdíl od lineárních obvodů závisí na poloze pracovního bodu i amplitudě působících signálů. 4.7 Počítačové cvičení Zadání:

35 Mikroelektronické praktikum L Pro sériový AM demodulátor odvoďte obecně podmínku, kdy dojde k jevu odtržení obálky. Výsledky ověřte simulací v PSpice. 2. Odvoďte analyticky vztah pro konverzní strmost rozdílové složky aditivního směšovače, Obr pro polynomiální aproximaci. Výsledky ověřte simulací v PSpice. 4.8 Laboratorní cvičení Popis měřícího přípravku Na obr. 2.6 je schéma přípravku realizujícího demodulátor AM a aditivní směšovač. Zdrojem AM signálu pro demodulátor je signální generátor. Přepínáním kondenzátorů je možné měnit časovou konstantu filtračního obvodu. U směšovače je na přípravku realizován místní oscilátor směšovače (f = 5kHz). Pomocí sumačního zesilovače se na diodu přivádí součtový signál, potenciometrem P1 je možné nastavit stejnosměrnou složku napětí. Aktivním filtrem (PP2, f 0 = 1kHz) je vybrán rozdílový produkt. Pro jednoduchost není nakreslený napájecí obvod. 1k 5u 1u 300n 100n 10k -15V +15V GEN 100k 10k f H 5kHz 10k 10k MB1 MB2 330 PP, f 0 = 1kHz Obr Demodulátor a směšovač Zadání 1. Změřte statickou charakteristiku demodulátoru pro f = 50kHz. 2. Na generátoru nastavte amplitudovou modulaci, U0 = 1V, f 0 = 50kHz, f mod = 500Hz. Signál přiveďte na demodulátor. Stanovte maximální hodnotu hloubky modulace, při které se objeví znatelné zkreslení výstupního signálu.

36 34 FEKT Vysokého učení technického v Brně Změnou frekvence modulačního signálu se pokuste najít stav, při kterém se objeví jev odtržení obálky. 3. Změřte statickou závislost U MB2 = f(u MB1 ) u nelineárního prvku aditivního směšovače. Na generátoru nastavte f i = 6kHz a proveďte případně jemné doladění, aby rozdílový produkt padl do maxima pásmové propusti. Změřte závislost směšovací strmosti na amplitudě budícího napětí, resp. na stejnosměrné složce nastavené potenciometrem P1 podle pokynů vyučujícího. Pokyny k zadání Ad 1 statickou charakteristiku demodulátoru je nutné měřit metodou bod po bodu. Ad 2 Výstupní signál demodulátoru sledujte osciloskopem. Ad 3 Statická závislost U MB2 = f(u MB1 ) se měří bez obou harmonických signálů pomocí potenciometru P1. Při odpojeném generátoru vstupního signálu se v místě MB1 změří amplituda místního generátoru. Z bodu GEN do MB1 je přenos roven v absolutní hodnotě jedné. Stačí odečítat nastavené napětí na generátoru. Vzhledem k tomu, že P1 je standardní uhlíkový potenciometr, stejnosměrnou složku je třeba při změně jeho nastavení změřit v místě MB1. Cejchování na horním panelu přípravku je pouze orientační. 5 Astabilní klopný obvod - multivibrátor CÍL ÚLOHY: Seznámit se s různými druhy multivibrátorů prostřednictvím jednoduchého blikače/bzučáku. Použitím TTL digitálního integrovaného obvodu 7404 a několika dalších základních prvků sestavte a oživte blikač s LED-diodou na kontaktním nepájivém poli. 5.1 POSTUP: Postupujte podle následujícího schématu. Napájecí napětí +5V se připojí na 14. vývod IO, na 7. pinu je 0V - zem. Při správném zapojení začne LED blikat. Pokud LED nebliká, zkuste ji polarizovat opačně. Nahraďte odpor 1k potenciometrem např. 5k a pozorujte změnu kmitočtu blikání. Kmitočet je nepřímo úměrný hodnotě odporu i kapacitoru.

37 Mikroelektronické praktikum L µF 1k 6 OUT 220 Obr. 5.1 Uspořádání vývodů multivibrátoru s invertory TTL, XX 7404, XX Zamyslete se nad tím, jak změnit zapojení, aby se z blikače stal bzučák. K dispozici budete mít navíc sluchátko a další bězné pasivní prvky. Stejně jako u blikače měňte výšku tónu a výstup sledujte osciloskopem. Generovaný signál je pravoúhlý. Nyní sestavte bzučák s přerušovaným tónem. K dispozici budete mít navíc IO 7400 (čtveřice hradel NAND) kromě původního IO 7404 (šestice invertorů). Ke generování přerušovaného tónu využijte vlastností hradla NAND Obr. 5.2 Princip vytváření přerušovaného tónu Sestavte následující multivibrátor. Má tu výhodu, že lze snadno měnit jeho střídu změnou odporu nebo kapacitoru.

38 36 FEKT Vysokého učení technického v Brně 220uF 220uF LED 1k 1k Obr. 5.3 Jiné zapojení multivibrátoru s invertory TTL Další multivibrátor lze realizovat časovačem 555, což je speciální obvod, zvláště vhodný pro astabilní i monostabilní klopné obvody. +5V TRIG OUT RSET DSCH THRES CON k 100uF Obr. 5.4 Zapojení multivibrátoru s časovačem Digitální obvody. CÍL ÚLOHY: Seznámit se s některými digitálními obvody. Postavte a vyzkoušejte jednoduché hodiny s výstupem na sedmisegmentový displej. 6.1 POSTUP: Nejdříve blíže prozkoumáme vlastnosti dvojnásobného dekadického čítače CMOS Čítač zapojte podle schématu, na výstupy připojte LED, abyste mohli sledovat jejich stav. H (high) znamená vysokou úroveň tj. +5V. Naopak vývody označené L (low) připojíte na nízkou úroveň 0V - zem (gnd). Nezapomeňte také připojit napájení čítače tj. vývod 16 na +5V, vývod 8 na zem.

39 Mikroelektronické praktikum L 37 'H' 'L' CLK EN RST 4518 Q0 Q1 Q2 Q GND Obr. 6.1 Zapojení dekadického čítače (4518) s indikací stavu pomocí LED Na hodinový vstup čítače CLK přiveďte signál nízké frekvence (1Hz), např. z blikače z úlohy č.5. Sledujte, jak čítač počítá ve dvojkové soustavě do desíti (BCD kód). Vyzkoušejte čítač zastavit tím, že na vstup EN přivedete L. Zkuste také čítač vynulovat (resetovat), když na RST přivedete H. Stavy výstupu pro počet načítaných impulsu zaznamenejte do tabulky. Zvyšte vstupní frekvenci a pozorujte osciloskopem v dvoukanálovém režimu stav vstupu CLK a jednotlivých výstupů. Vstupní frekvence je vždy vydělena určitým číslem. Čítač je tedy možné použít nejen pro počítání impulsů, ale také jako dělič frekvence. Zjistěte tyto dělící poměry pro každý výstup. Určete mezní frekvenci čitače tím, že budete postupně zvyšovat vstupní frekvenci do té doby než přestane čítač počítat. Nyní převedeme stav výstupu do srozumitelnější podoby. Převod na sedmisegmentový displej zajistí TTL dekodér D147D resp Oba čítače, které obvod 4518 obsahuje, zapojíme do kaskády. První čítač pracuje jako dekadický předdělič a výstupy druhého čítače se dekódují na sedmisegmentovku. Společnou anodu displeje připojíme přes ochranný odpor 220Ω na +5V. Frekvenci 1Hz přiveďte na vstup i na segment T displeje. Na sedmisegmentovce se při správném zapojení postupně objevují číslice 0 až 9 a tečka bliká v sekundových intervalech. Získali jste tak jednoduché hodiny, které ukazují desítky sekund a po 100s se opět vynulují. Hodiny také můžete vynulovat a zastavit pomocí řídicích vstupů. Skutečné digitální hodiny se liší pouze tím, že displej je vícemístný, časová základna je přesně řízena krystalem a jsou zde implementovány další doplňkové funkce.

40 38 FEKT Vysokého učení technického v Brně A F T E F E MAN A G D T B C ANOD B G C D 'H' 'L' 'H' 'L' CLK EN RST 4518 CLK EN RST 4518 Q0 Q1 Q2 Q3 Q0 Q1 Q2 Q 'H' 'H' BI/RBO RBI LT D147D A B C D E F G Obr. 6.2 Zapojení čítače - hodin s indikací stavu pomocí sedmisegmentového displeje

41 Mikroelektronické praktikum L 39 7 Popis programu Westbay Tools 7.1 Všobecné informace Westbay Tools je specializovaný program pro analýzu situací, v nichž se řeší problémy elektromagnetické kompatibility. Na základě matematických modelů tento program vypočítavá v mnoha důležitých parametrech emc podmínky. Různé modely výpočtů jsou seskupeny do několika hlavních oblastí : Výpočty stínění Analýza periodického vlnění Analýza tvaru přechodových vln Výpočty vztahující se k deskám tištěných spojů a vodičovým systémům Oblast výpočtů vztahujících se ke kapacitám a indukčnostem Program má však samozřejmě i některé jiné nástroje, které však nejsou zařazeny do výše uvedených oblastí. 7.2 Základní ovládání v menu File (soubor) New Analyses (vytvoří se nová analýza), Load Analyses... (nahrát analýzu) v okně výběru souboru lze vybrat a nahrát už zhotovenou analýzu. Save Analyses... (uchovat analýzu) v okně výběru souboru lze zvolit název a uchovat zhotovenou analýzu. Save Graph as.bmp (uchovat graf jako.bmp) - v okně výběru souboru lze zvolit název a uchovat pro obrázek ve formátu.bmp, v němž se nahraje zhotovený graf. Print (tisk) objeví se okno, v němž lze definovat tiskový výstup zatrhávacími tlačítky Model 1 až Model 5 lze zvolit požadované modely k tisku. Zatrhávacím tlačítkem Print Header Report (tisknout hlavičku) se volí, zda-li se bude, či nebude tisknou hlavička. Posunovacími tlačítky Graph Height (výška grafu) a Graph Width (šířka grafu) lze volit rozměry tištěného grafu v %. 7.3 Ovládaní displaye a kreslení Mnoho nástrojů umožňuje vykreslit své výsledky ve formě grafu a tento typ grafu je obecně shodný pro všechny nástroje a jejich vykreslování. Ovládání je následující : kontrola vertikální škály (v Graph Area vlevo dole)

42 40 FEKT Vysokého učení technického v Brně Vertikální škála muže být v závislosti na použitém nástroji cejchovaná v db, Voltech anebo Ohmech - jednotky nelze tedy měnit, lze jen změnit poměr jednotka na dílek osy - k tomu slouží tlačítka + a -, případně je možno použít pull-down menu s předdefinovanými poměry jednotka/dílek. Tlačítka + a - pod nápisem "Offset" posunují střední osu grafu na 0. kontrola horizontální škály ( v Graph Area vpravo dole) tady může být použita jedna ze dvou jednotek spojených s veličinami čas a frekvence - tedy s a Hz. Opět tyto jednotky nemohou být měněny uživatelem; je možno tlačítky + a - měnit poměr jednotka/dílek anebo alternativně je možno zvolit předdefinované rozsahy z přilehlého pull-down menu. tlačítko Clear (v Graph Area vpravo nahoře) čistí graf od křivek, data však nemaže. Progress Box (nalevo od tlačítka Clear) během vykreslování křivek je zbarven červeně Ikona barevného klíče Ukazuje barvy křivek vykreslovaného grafu. Dále Graph Area umožňuje pomocí kurzoru myši odečítat v dané poloze hodnoty v příslušných jednotkách čísla 1 až 5 (vpravo) jsou přesunovatelné popisky umožňující identifikovat křivky při tisku (černobílém). Mohou být přesunuty myší na požadované místo a takto také vytisknuty. Daný typ vykreslování je popsán v levém horním rohu grafu např. "Suppression Filter Insertion Loss Plot" 7.4 Ovládání formulářů pro hodnoty Všechny formuláře mají tato společná tlačítka : Analyse (vypočte požadovanou hodnotu z hodnot zadaných), Plot (vykreslí graf požadované závislosti), Done (ukončí zadávání hodnot a aktuální formulář opustí). Obvykle také lze opustit aktuální formulář stiskem klávesy Esc. 7.5 Poznámka k následujícímu výkladu V následujícím jsou stručně vysvětleny jednotlivé položky menu, jejich funkce a ovládání. Název menu je označen v textu tímto písmem : Název Menu, jednotlivé položky v menu jsou odlišeny takto : - Položka Menu, případně podpoložka menu : - - Položka Menu.(položky a podpoložky menu se vztahují vždy k posledně uvedenému názvu menu, či

43 Mikroelektronické praktikum L 41 položky menu). Klíčové popisy, případně hlavní ovládací prvky ve formulářích jsou označeny tímto písmem : Ovládací Prvek. 8 Popis funkcí 8.1 Shielding (stínění) Zde se řeší problémy spojené se stíněním zařízení od vnějších elmg. polí, respektive problémy spojené s nemožností realizace ideálního stínění. Jde např. o konečnou vodivost materiálu použitého na kryt stínění, kabely vstupující do zařízení převádějící část vnějšího elmg. pole dovnitř přístroje, otvory v krytu, víka a vstupní panely, jejichž stínící vlastnosti jsou kompromisní, kvůli různým otvorům, problémům s nekontinuální vodivostí mezi např. víkem a krytem (zde se používají vodivostní těsnění) a dokonce i samotný kryt může být zdrojem problémů, pro svou vlastní rezonanci vnitřní dutiny. V této položce menu se nacházejí nástroje týkající se výpočtu a návrhu stínění Shielding Effectiveness Tool (nástroj pro účinnost stínění) Při výpočtech účinnosti si musíme uvědomit, charakter elmg. pole, kterému je kryt stínění vystaven - jestli jde o pole s blízkým, či vzdáleným zdrojem a dále jaký je poměr intenzit E/H tohoto pole. Platí, že pro pole s vyšším poměrem E/H je nutno pro dostačující stínění mít silnější (tlustší) kryt, než je tomu u pole s E/H nízkým. Při poměru E/H vysokém je pole nazýváno polem elektrickým, při poměru E/H nízkém jde o pole magnetické. Dále je nutno si uvědomit situaci elmg. vlnění v oblasti stínícího krytu, kdy dopadající vlna se rozděluje na vlnu odraženou, absorbovanou krytem, odraženou v krytu (na rozhraní materiál krytu/ vnitřní prostředí zařízení) a vlnu prošlou, která by měla mít co nejnižší intenzitu. V tomto nástroji se definují tyto vlastnosti stínícího materiálu : Conductivity (vodivost), Relative Permeability (relativní permeabilita), Thickness (tloušťka), místo vodivosti a permeability lze alternativně volit z pull-down menu Shield Material (stínicí materiál), v němž se nabízejí různé kovové materiály, po zvolení materiálu a zadání hodnoty Thickness se vypočtou a zobrazí hodnoty Relative Permeability a Conductivity, stiskem tlačítka Sheet Resistance se otevře okno Definition by Sheet Resistance v němž je možno místo vodivosti zadat hodnotu mohms/square (v ohmech na metr čtvereční) a Thickness (tloušťku materiálu). Vodivost se stiskem tlačítka Calculate Conductivity vypočte ze zadaných hodnot a zobrazí v políčku Conductivity; při zadání hodnot mohms/square a Thicknes je možno stiskem tlačítka Calculate Thickness vzpočítat tloušťku materiálu. Stiskem tlačítka Diagram se zobrází názorné schéma vysvětlující zadávané hodnoty. Stiskem tlačítka Reset se vymaže políčko s vypočtenou hodnotou. Stiskem tlačítka Done se okno Definition by Sheet Resistance uzavře. Elmg. zdroj je definován hodnotami Frequency (frekvence) v MHz a Source Distance (vzdálenosti) v m. Stiskem tlačítka Analyse se vypočtou a zobrazí hodnoty pro zadané parametry : Skin Depth (hloubka vnikání), Reflection Loss (ztráty odrazem), Absorption Loss (ztráty absorpcí) a Internal Reflection Correction (korekční faktor vnitřního odrazu), dávající dohromady hodnotu Shielding Effectiveness (účinnost stínění) pro danou frekvenci a