Размещено на http://www.allbest.ru/

18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I

"МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ"

Введение

Целью лабораторного практикума по курсу "Элементная база БИС" является закрепление теоретических сведений, а также практическое ознакомление со схемотехническими особенностями построения различных типов интегральных схем, методами исследования и определения их функциональных свойств. Практикум позволяет приобрести необходимые навыки по методике экспериментального исследования электронных схем и работе с измерительным оборудованием.

Лабораторные работы рассчитаны на 4-х часовые занятия, на которых сначала студенты проходят допуск и затем проводят измерения на лабораторном стенде. К началу первого занятия староста представляет побригадный список группы (7 бригад), а все студенты группы должны выполнить требования раздела I.I.I, по самостоятельной подготовке для получения допуска к лабораторной работе № I.

На следующем занятии каждый студент, выполнивший измерения, представляет оформленный отчет. В индивидуальной беседе с преподавателем обсуждаются результаты эксперимента. Положительные оценки по предыдущим этапам лабораторной, работы (допуск и проведение измерений), а также правильное объяснение результатов измерений, являются основанием для зачета выполнения лабораторной работы. На этом же занятии студенты, получившие зачет, должны пройти допуск к следующей лабораторной работе. Очередность выполнения лабораторных работ определяется семестровым планом.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение методики получения характеристик типа

I = f(U), U_y = f (U_x)

и приобретение практического навыка работы с приборами лабораторного стенда.

Порядок выполнения лабораторной работы.

Самостоятельная подготовка к работе.

1. Изучить и законспектировать методику использования прибора наблюдения статических характеристик (ПНСХ) (раздел 1.2).

2. Составить электрические схемы подключения инвертора (рис. 1.2,а) к ПНСХ и осциллографу для снятия входной и передаточной характеристик.

3. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

Допуск к работе.

Допуск к выполнению измерений согласно заданию осуществляется преподавателем при наличии конспекта и правильном ответе на контрольные вопросы.

Экспериментальная часть.

I. Практически ознакомиться с работой приборов лабораторного стенда, в состав которого входят:

- лабораторный макет № I по курсу "Элементная база БИС";

- панель № I;

- кабель с разъемами 11, 12, 13;

- прибор для наблюдения статических характеристик (ПНСХ);

- осциллограф;

- приборы для измерения напряжения, силы тока, сопротивления;

- графопостроитель.

2. Для заданных значений сопротивления резисторов и напряжения источника питания (таблица I.I) исследовать входную I_вх = f(U_вх) и передаточную U_вых = f(U_вх) характеристики инвертора (рис. 1.2,а). (Коэффициенты L , М и N в таблице I.I не учитываются).

Порядок проведения измерений.

1. Установить на макете панель № I и разъемы кабеля 11, 12.

2. С помощью вольтметра В7-27, включенного в режиме измерения сопротивления, установить номиналы резисторов макета R1... ...R6 (рис. 1.2,б) в соответствии с вариантом (таблица I.I).

3. Вставить разъем 13 кабеля в соответствующее гнездо макета.

4. Отжать кнопки KH1, KH2, КНЗ. Включить тумблер "Сеть" ПНСХ (рис. 1.3).

5. Переключателем III на панели ПНСХ установить положительную полярность напряжения источника U₁ (рис. 1.3).

6. Ручки регулировки напряжения U₁ - P1 и Р2 установить в крайнее левое положение (U₁ = 0).

7. Общую шину и клемму 1 ПНСХ подсоединить к клеммам питания макета (рис. 1.2,б). К ним же подключить вольтметр.

8. Установить необходимые для снятия входной характеристики связи между ПНСХ, осциллографом, макетом и графопостроителем согласно методике, изложенной в разделе 1.2.5.

9. Представить собранный стенд для проверки.

10. Нажать кнопку KH1 ПНСХ и установить в соответствии с вариантом (таблица I.I) необходимую величину напряжения источника питания U₁.

11. По методике, изложенной в разделе 1.2.5, получить на экране осциллографа изображение входной характеристики инвертора, приведенного на рис. 1.2,а, для входного напряжения в диапазоне 0 ? U_вх ? U_ИП.

12. Срисовать полученную зависимость с экрана осциллографа, либо с помощью графопостроителя получить ее изображение на миллиметровой бумаге.

13. Согласно методике, изложенной в разделе 1.2.6 установить

необходимые связи между приборами стенда и макетом для снятия передаточной характеристики инвертора (рис. 1.2,а) U_y = f(U_x), где U_y = U_вых, а U_x = U_вх.

14. Представить собранный стенд для проверки.

15. В диапазоне изменения входного напряжения 0 ? U_вх ? U_ИП получить на экране осциллографа изображение передаточной характеристики по методике изложенной в разделе 1.2.6.

16. Срисовать полученную зависимость с экрана осциллографа, либо с помощью графопостроителя получить ее изображение на миллиметровой бумаге.

17. Представить на подпись преподавателю полученные результаты.

18. Сдать инженеру макет.

Оформление отчета.

Отчет по каждой лабораторной работе оформляется индивидуально в тетради, в которую вклеиваются все графики, изображенные на миллиметровой или клетчатой бумаге.

По данной лабораторной работе отчет должен содержать:

1. Название и номер лабораторной работы;

2. Конспект теоретического раздела согласно заданию самостоятельной подготовки;

3. Электрические схемы подключения инвертора к приборам стенда.

4. Представленные на миллиметровой бумаге и вклеенные в тетрадь полученные экспериментальные зависимости.

Зачет по лабораторной работе.

Лабораторная работа № 1 считается полностью выполненной при наличии отчета, оформленного в соответствии с требованиями раздела 1.1.5 и если студент демонстрирует умение работы с приборами лабораторного стенда.

По результатам подготовительной самостоятельной работы, прохождения допуска и по выполнению экспериментальной части проставляется общая оценка.

прибор вольтамперный электрическая схема характеристика

Теоретические сведения.

Прибор для наблюдения статических характеристик (ПНСХ) (рис. 1.3,а), разработанный на кафедре ФТИМС и изготовленный на заводе "Протон", используется при исследовании вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов, входных, выходных, передаточных и других статических характеристик цифровых и аналоговых схем.

ПНСХ может использоваться как источник трех постоянных регулируемых независимо стабилизированных напряжений с изменяемой полярностью и с защитой от перегрузки.

ПНСХ обеспечивает отображение исследуемых характеристик на экране осциллографа и на бумаге графопостроителем.

Функциональный состав и органы управления ПНСХ.

Напряжение двух источников питания U₁ и U₂ (рис. 1.3,б) выведено соответственно на клеммы 1 и 2. Их полярность относительно общего полюса устанавливается кнопочными переключателями П1 и П2 (рис. 1.3,а). Регулировка напряжения осуществляется плавно - ручками P1, РЗ и грубо - Р2, Р4. Третий источник питания U₃ (рис. 1.3,б) формирует на клемме 4 постоянную u1 и переменную u2 составляющие напряжения, величина которых регулируется независимо. Напряжение постоянной составляющей u1 и его полярность регулируется ручками плавной - Р6 и грубой - Р5 установки.

Амплитуда переменной составляющей u2 регулируется ручкой Р7, а полярность устанавливается переключателем ПЗ (рис. 1.3,а).

Включение источников питания осуществляется нажатием кнопок "ПИТАНИЕ" КН1, КН2 и КНЗ при включенном тумблере "СЕТЬ" - Т. При возникновении перегрузки любого из источников питания загорается соответствующий красный индикатор и напряжение с данной выходной клеммы 1, 2 или 3 автоматически снимается. После устранения причины перегрузки для восстановления напряжения на клемме необходимо нажать на красную кнопку "СБРОС" соответствующего источника питания.

Преобразователь ток-напряжение ПР (рис. 1.3,б) обеспечивает формирование на клемме 6 (рис. 1.3,а) напряжения, равного по величине напряжению, падающему на резисторе R. Величина сопротивления резистора R устанавливается переключателями П5 и П6.

Масштабный усилитель "К" (рис. 1.3,б) формирует на клемме 7 напряжение, равное по величине напряжению клеммы 3, умноженному на К. Величина коэффициента К устанавливается переключателями П7 и П8.

Нажатие кнопки КН4 позволит полученную на экране осциллографа зависимость отобразить на бумаге графопостроителем, подключенным к клеммам 8 и 9. При этом переменная, составляющая напряжения источника питания U₃ (рис. 1.3,б) u2 автоматически обнулятся. Для получения изображения характеристики необходимо вручную изменить напряжение u1 (ручки Р5 и Р6).

Кнопка КН5 в нажатом состоянии вместо выхода преобразователя ПР (рис. 1.3,б) к клемме 6 подключает клемму 5.

Кнопка КН6 служит для поиска начала координат на экране осциллографа.

ПНСХ - источник постоянного стабилизированного напряжения.

Источники питания U₁, U₂ и U₃ (рис. 1.3,б) задают напряжение на клеммах 1, 2 и 3 соответственно. Любые два из них могут быть включены таким образом, что между клеммами 1-2, 2-4 или 1-4 будет получено их суммарное напряжение. Для этого необходимо у выбранной пары источников задать разную полярность.

ВНИМАНИЕ! Ни положительный, ни отрицательный полюсы такого

спаренного источника напряжения заземлять НЕЛЬЗЯ!

Если в таком включении будет задействован источник питания U₃ (клемма 4), то все кнопки переключателя ПЗ должны быть отжаты.

Построение вольтамперной характеристики по точкам.

При исследовании зависимости тока, протекающего через образец G (рис. 1.4,а), от величины приложенного к нему напряжения U собирается схема, представленная на рис. 1.4,б. В качестве источника напряжения U может использоваться любой из источников U₁, U₂ или U₃ ПНСХ. Полярность напряжения источников U₁, U₂ устанавливается переключателями П1, П2 соответственно, а полярность и величина напряжения источника питания U₃ устанавливается ручками Р5 и Р6. При этом все кнопки переключателя ПЗ должны быть отжаты.

В качестве амперметра и вольтметра могут использоваться любые измерители соответствующих величин.

Принцип формирования изображения вольтамперной характеристики на экране осциллографа.

Используя ПНСХ совместно с осциллографом, можно исследуемую характеристику наблюдать на экране для всего допустимого диапазона изменения напряжения U или на отдельных его участках в увеличенном масштабе. При этом по существу реализуется схема измерения (рис. 1.4,б).

Исследуемый образец G через резистор R подключается к источнику напряжения U = u1 + u2 (рис. 1.5,а), который создает постоянную составляющую u1 и переменную составляющую u2 напряжения U (рис. 1.5,б). Переменная составляющая u2 должна иметь малую скорость изменения d(u2)/dt, чтобы при этом инерционные (частотные) свойства образца G еще не проявлялись.

Наиболее подходящим для этого является линейно изменяющееся во времени напряжение, которое нарастает и спадает с одинаковой постоянной скоростью (рис. 1.5,б). С целью упрощения измерительного оборудования в качестве переменной составляющей можно использовать синусоидальное напряжение сети (50 Гц) (рис. 1.5,в).

Создаваемое на образце G напряжение U (рис. 1.5,а), через усилитель "Ус.Х", подается на систему, отклонения электронного луча электронно-лучевой трубки осциллографа в горизонтальном направлении. Каждому значению напряжения U соответствует определенное напряжение u = IR, падающее на резисторе R и пропорциональное силе тока I_G, протекающего через образец G (рис. 1.5,а).

Если напряжение u подать через усилитель "Ус,У" на систему отклонения электронного луча электроннолучевой трубки осциллографа вертикального направления (рис. 1.5,а), то на экране будет получена вольтамперная характеристика образца G.

За счет изменения величины и полярности постоянной составляющей u1 и амплитуда переменной составляющей u2 напряжения U можно изменять состояние исследуемого образца, компенсировать падение напряжения на измерительном сопротивлении R, выбирать участок и масштаб наблюдения характеристики и др.

Экспериментальное получение вольтамперной характеристики на экране осциллографа с помощью ПНСХ.

Схема подключения исследуемого образца и осциллографа к ПНСХ приведена на рис. 1.6. Порядок работы с ПНСХ:

1. Кнопки КН1, КН2 и КНЗ отжаты, тумблер "Сети" - в положении включено (pиc. 1.3,а).

2. Переключателем ПЗ устанавливается необходимая форма переменной составляющей напряжения U₃. Например, для исследования входной характеристики цифровой схемы I_вх = f(U_вх) напряжение (рис. 1.6) должно изменяться в области от нуля до величины напряжения источника питания U_ИП исследуемой схемы. Если U_ИП > 0, то на переключателе ПЗ нажимается кнопка формирования положительной, а если U_ИП < 0, то - отрицательной полуволны синусоиды переменной составляющей напряжения U₃.

3. Ручками Р5, Р6 и Р7 устанавливается нулевое напряжение на клемме 3 ПНСХ: Р5, Р6 - в среднее, а Р7 - в крайнее левое положение.

4. Кнопка КН4 отжата (графопостроитель отключен);

5. Кнопка КН5 нажата (клемма 5 подключена к клемме 6, т.е. к входу “У”осциллографа);

6. Величина сопротивления резистора R, определяется переключателями П5, П6 ПНСХ и масштаб усилителя “Ус.У” осциллографа выбираются исходя из необходимой величины изображения на экране исследуемой вольтамперной характеристики;

7. От клеммы 3 отключается образец G;

8. Клемма 3 соединительным проводником подключается к клемме 5, что обеспечивает одновременную подачу напряжения U₃ на вход “Х” и “У” осциллографа;

9. Нажимается кнопка КН3. Если исследуемый образец нуждается в дополнительном питании, то для этого используются источники напряжения ПНСХ U₁, U₂ (рис. 1.3,б) и нажимаются соответствующие кнопки KH1 или КН2.

10. Нажав кнопку КН6 ПНСХ, на экране осциллографа его ручками смещения луча устанавливается положение последнего в центре экрана;

11. Отжимается кнопка КН6;

12. Ручкой Р7 увеличивается амплитуда переменной составляющей u2;

13. На экране осциллографа наблюдается наклонная прямая линия, которая необходима для определения масштаба отклонения луча в горизонтальном направлении, так как не каждый осциллограф имеет калиброванный вход “Х”.

Масштаб по оси “Х” определяется как u_x = u_yocц tgц, где: ц - угол наклона прямой на экране; u_yocц - масштаб по оси “У”, известный из положения переключателя чувствительности усилителя, осциллографа. Наклон прямой, т.е. угол ц, можно выбирать путем изменения величины коэффициента К переключателями П7, П8 ПНСХ.

Если осциллограф имеет калиброванный вход “Х”, то масштаб u_x определяется положением его переключателей чувствительности усилителя “Х” и значением коэффициента К ПНСХ, как u_x = K u_xocц , где u_xocц - масштаб усилителя X осциллографа.

14. После определения масштаба по оси “Х” клемма 3 отсоединяется от клеммы 5, а кнопка КН5 отжимается. Восстанавливается подключение исследуемого образца G к клемме 3 (рис. 1.6). Ручками Р5, Р6 и Р7 ПНСХ устанавливается необходимая величина постоянной составляющей и амплитуда переменной составляющей напряженияU₃. На экране осциллографа наблюдается вольтамперная характеристика исследуемого образца G.

15. Масштаб оси “У” по току будет u_y(I) = u_yocц/R, где величины сопротивления резистора R устанавливается переключателями П5, П6 ПНСХ.

16. Для отображения наблюдаемой вольтамперной характеристики на бумаге графопостроителем, подключенным к ПНСХ (рис. 1.6), необходимо нажать кнопку КН4. При этом переменная составляющая напряжения U₃ автоматически обнуляется, а величина напряжения U, подаваемого на образец G (рис. 1.5,а), устанавливается ручками Р5, Р6. Масштаб изображения задается переключателями графопостроителя.

Получение характеристик типа U_y = f(U_x)

К характеристикам типа U_y = f(U_x) относятся передаточные характеристики цифровых и линейных схем. Для их получения необходима схема, приведенная на рис. 1.7,а, которая реализуется с помощью ПНСХ как показано на рис. 1.7,б. Исходное состояние ПНСХ и определение масштаба по оси “Х” аналогично описанному в разделе 1.2.5 но со следующими изменениями по пунктам:

7. От клемм 3 и 5 отключается образец G;

14. После определения масштаба по оси “Х” клемма 3 отсоединяется от клеммы 5 и восстанавливается их соединение с испытываемым образцом G согласно схеме (рис. 1.7). Кнопка КН5 остается нажатой.

15. Масштаб оси “У” по напряжению равен величине u_yocц.

Ручками Р5, Р6 и Р7 устанавливается необходимая величина постоянной составляющей и амплитуда переменной составляющей напряжения U₃. На экране осциллографа наблюдается зависимость U_y = f(U_x), где U_x является входным, a U_y - выходным напряжениями образца G (рис. 1.7).

Контрольные вопросы

1. Из каких блоков состоит ПНСХ и каково их назначение?

2. Как выглядит блок-схема ПНСХ?

3. Какое необходимо установить положение ручек и переключателей на передней панели ПНСХ при его использовании как источник питания положительного (отрицательного) напряжения.

4. Можно ли с помощью ПНСХ получить напряжение, превышающее величину максимального значения источников питания U₁, U₂ или

U₃ ПНСХ?

5. Как проявляется возникновение перегрузки в цепи источников питания U₁, U₂ или U₃ ПНСХ?

6. Как вы должны поступить в случае возникновения перегрузки в цепи источников питания U₁, U₂ или U₃?

7. Каков принцип отображения на экране осциллографа величины тока, протекающего через исследуемый образец при использовании ПНСХ?

8. Как выглядит схема подключения исследуемого образца к ПНСХ для наблюдения входной (передаточной) характеристики?

9. Как определить масштаб по оси X осциллографа при использовании ПНСХ?

10. Как определяется масштаб по оси У осциллографа по току и напряжению?

Таблица 1.Варианты задания параметров по бригадам

Размещено на Allbest.ru