Порядок виконання роботи. 2. 2. 1. Дослідження диференціюючої rc-схеми.

2.2.1. Дослідження диференціюючої RC- схеми.

1 Відкрити вікно програми Multisim і побудувати схему диференційної RC-схеми (рис. 2.9).

Рис. 2.9 Схема віртуального лабораторного стенда для

дослідження диференціюючої RC-схеми

2. Дослідити диференційну RC –схему в частотній області.

3. Встановити у функціональному генераторі режим генерації гармонічних сигналів. Встановити такі параметри сигналу: частота 10 кГц, амплітуда 10 В.

4. Дослідити частотні характеристики диференціальної схеми допомогою вимірювача АЧХ та ФЧХ (Bode Plotter). У відповідних віконцях встановити: мінімальне послаблення вихідного сигналу (максимальний коефіцієнт передачі), максимальне послаблення (мінімальний коефіцієнт передачі), максимальна частота , мінімальна частота .

5. Увімкнути моделювання За допомогою візирної лінійки визначити нижню граничну частоту диференційної RC -схеми (частоту, на якій коефіцієнт передачі зменшується до ). Вимкнути моделювання.

6. Перевести Bode Plotter в режим дослідження ФЧХ. На передній панелі натиснути кнопку «Phase». Виставити значення параметрів: F = 135°, I =- 45°. Увімкнути моделювання.

7. Проаналізувати одержану ФЧХ та занести її в протокол. Вимкнути моделювання.

8. Повторити експерименти при одночасному збільшенні опору потенціометра і ємності конденсатора до 50%, а потім до 75% від номінального значення.

9. Результати занести в протокол. Сформулювати висновки.

10 Дослідити диференціюючу RC -схему в часовій області. Встановити такі параметри імпульсів генератора: частота 10 кГц (період 100 мкс), заповнення (Duty cycle) 50% (тривалість імпульсів 50 мкс), амплітуда 10 В.

11. Виставити мінімальні значення опору потенціометра та ємності конденсатора.

12. Виставити режими осцилографа: тривалість розгортки (Time base) 20 мкс/поділка, тип функціональної залежності Y/ T, чутливість каналу «А»–20 В/поділка, зміщення по вертикалі осцилограми сигналу каналу «А»(Y position) 2 под, тип входу каналу А «DC» (закритий вхід, за змінним струмом), чутливість каналу «В»– 10 В/под., зміщення по вертикалі осцилограми сигналу каналу «В»(Y position) – 1.2 под. Режим синхронізації – запуск вхідними сигналами, тобто сигналами каналу «А».

13. Увімкнути моделювання. Зафіксувати та проаналізувати вихідні осцилограми. Користуючись курсорами 1 та 2 визначити величину вихідної напруги на початку і в кінці дії вхідних інформаційних сигналів. Розрахувати у відсотках спад вершини імпульсів.

14. Повторити експерименти при одночасному збільшенні опору потенціометра та ємності конденсатора до 50%, а потім до 75% від номінального значення. Результати занести в протокол.

15. Сформулювати висновки.

2.2.2. Дослідження інтегруючої RC –схеми.

1. Побудувати схему інтегруючої RC-схеми (рисунок 2.10). Виставити номінальну ємність конденсатора 10 нФ, та величину зміни ємності (25%). Значення опору потенціометра та встановлені відсотки залишити без змін.

2. Дослідити частотні характеристики інтегруючої RC – схеми. Перевести генератор в режим формування гармонічного сигналу. Виставити амплітуду 10 В. Одержати АЧХ та ФЧХ інтегруючої RC – схеми для значень R i C (25, 50 та 100%). Визначити за допомогою Bode Plotter та розрахувати значення верхніх граничних частот.

Рис. 2.10 Схема віртуального лабораторного стенда для дослідження інтегруючої RC-схеми

3. Одержані АЧХ та ФЧХ і значення граничних частот занести в протокол. Проаналізувати одержані результати. Зробити висновки.

4. Дослідити перехідні процеси в інтегруючій RC –схемі. Перевести функціональний генератор в режим формування прямокутних імпульсів («»), виставити такі параметри імпульсів: частота 10 кГц, відсотки заповнення 50% (тобто тривалість імпульсів 5 мкс), амплітуда 10 В.

5. Відкрити передню панель осцилографа, та встановити тривалість розгортки 20мкс/под. Решту показників залишити без змін.

6. Увімкнути моделювання. Спостерігати осцилограми вхідних та вихідних імпульсів.

7. Повторити експерименти ще для двох значень опору потенціометра та ємностей конденсатора – 50% та 100% номінального значення.

8. Занести осцилограми в протокол.

2.2.3. Дослідження подвійного Т-подібного мосту.

1. Побудувати схему подвійного Т-подібного мосту (рис. 2.11).

2. Виставити значення опорів в резисторах в межах 1...10 МОм так, щоб ,і величину ємності конденсаторів в межах 1...10 нФ із співвідношенням . Це дозволяє розрахувати квазірезонансну частоту за формулою:

3. Перевести функціональний генератор в режим формування тестового гармонічного сигналу (). Встановити амплітуду коливання 10 В, частоту 10 Гц.

4. Висвітлити передню панель Bode Plotter. Виставити діапазон затухань F = 0 дБ до І = –60 дБ, смугу частот F = 10 кГц, І = 10 Гц.

5. Увімкнути моделювання.

6. Дослідити АЧХ, результати вимірювань та АЧХ занести в протокол.

7. Вимкнути моделювання.

8. Перевести Bode Plotter в режим дослідження фазочастотної характеристики. Дослідити ФЧХ.

9. Зробити висновки.

Рис. 2.11 Схема віртуального лабораторного стенда для дослідження подвійного Т–подібного мосту

2.3. ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Зміст повинен містити:

· мету лабораторної роботи;

· принципові електричні схеми віртуальних лабораторних стендів для дослідження RC- схем;

· результати розрахунків сталих часу, значень граничних частот та тривалості перехідних процесів для RC -схем;

· амплітудно-частотні характеристики досліджуваних RC -схем;

· перехідні характеристики досліджуваних RC -схем;

· осцилограми імпульсів, одержаних за експериментами;

· визначення тривалості перехідних процесів та смуги частот;

· висновки.

4. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Накресліть та поясніть принципові електричні схеми інтегруючого та диференціюючого RC -кола.

2. Поясніть формування вихідного сигналу диференціюючим RC -колом.

3. Поясніть формування вихідного сигналу інтегруючим RC -колом.

4. Чому диференціюючі RC -схеми є фільтрами верхніх частот?

5. Які елементи електронних схем обмежують частотні властивості пристроїв обробки електричних сигналів

6. Як змінюється перехідна характеристика диференціюючої RC -схеми зі збільшенням ємності конденсатора та зміною опору резистора?

7. Як змінюється перехідна характеристика інтегруючої RC -схеми зі зменшенням ємності конденсатора та зі збільшенням опору резистора?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

Мета роботи: поглиблення і закріплення знань про основні процеси, що протікають у напівпровідникових діодах (НД), особливостях їх як елементів електронних ланцюгів, про граничні експлуатаційні дані, про особливості роботи таких приладів у динамічному режимі, а також придбання навичок проведення експериментальних досліджень роботи діодів в різноманітних схемах.

3.1. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

3.1.1. Властивості діодів.

Комбінація двох напівпровідникових шарів з різним типом провідності (p – діркова і n – електронна) має випрямляючі властивості: вона набагато краще пропускає струм в одному напрямку, ніж в протилежному. Полярність напруги, яка відповідає великим струмам, називається прямою, а малим струмам – зворотною. Звичайно використовують терміни пряма і зворотна напруга, прямий і зворотній струм. Поверхня, по якій контактують p- та n-шари, називаються металургійною межею, а область об’ємного заряду, яка до неї прилягає, - електронно-дірковим переходом.

Крім ефекту випрямлення, р-n-перехід має й інші властивості: нелінійність вольт-амперної характеристики (ВАХ), бар'єрна ємність, явище ударної іонізації атомів напівпровідника при досить великих для даного переходу напругах, явище тунелювання носіїв крізь потенціальний бар'єр переходу як при зворотній, так, в окремих випадках, і при прямій напрузі. Ці властивості переходу використовуються для створення різних видів НД: випрямних, змішувальних, лавинопролітних, варикапів, фотодіодів, світлодіодів.

Вольт-амперна характеристика p-n – переходу описується виразом:

(3.1)

де – струм через перехід при напрузі U, – зворотній струм, – температурний потенціал, котрий при кімнатній температурі дорівнює 26мВ.

У разі швидкої зміні напруги діода порівняно з часом накопичення і розсмоктування незрівноваженого заряду в базі і некомпенсованого об'ємного заряду в електронно-дірковому переході, реалізується динамічний режим. В даному режимі необхідно враховувати ємнісні властивості діодів, тобто їхню здатність накопичувати і відповідно віддавати заряд при збільшенні чи зменшенні прикладеної напруги. Накопичення заряду відбувається в р-n -переході й у базі діода. Відповідно до цього розрізняють дві складові ємності діода : бар'єрну і дифузійну . При цьому . Такий поділ багато в чому умовний, але він зручний на практиці, бо співвідношення цих ємностей залежить від полярності прикладеної напруги. За прямої напруги головну роль грають надлишкові заряди в базі і, відповідно, дифузійна ємність. За зворотної напруги кількість надлишкових зарядів в базі мала і головну роль відіграє бар’єрна ємність. Обидві ємності нелінійні: дифузійна залежить від прямого струму, а бар’єрна – від зворотної напруги.

3.1.2. Моделювання діодів.

Рис. 3.1 Діалогове вікно вибору моделі діода програми

В програмі Multisim діоди представлено в каталозі Diodes бібліотеки компонентів. Після натискання кнопки DIODE з’явиться діалогове вікно вибору конкретного діоду (рис.3.1). Якщо ви просто бажаєте перевірити роботу якоїсь електронної схеми, то доцільно використовувати віртуальний діод (Diode_Virtual), який має найбільш загальні параметри. Після вибору діода ви побачите контур елементу, який можете розмістити у потрібному вам місці схеми.

Еквівалентні схеми діода мають наступні позначення (рис. 3.2): – анод, – катод, – джерело струму, – об’ємний опір, C – ємність переходу, – провідність, яка обумовлена втратами.

Рис. 3.2 Еквівалентні схемі діода при розрахунках:а) за постійним струмом; б) в діапазоні частот; в) в діапазоні частот при малих рівнях сигналів