Электротехника, электроника и схемотехника. Лабораторный практикум в облачной среде схемотехнического проектирования TINACloud [Владимир Александрович Алёхин] (pdf) читать онлайн

Э
П
Е
К
Т
Р
О
Т
Е
Ж
И
И
М
,Э
Л
Е
К
Т
Р
О
Н
И
К
А
И
Ш
МШ
НИКИ
схемотехнического проектирования

\

i

.

В. А. Алехин

Л
И
А
С
Ю
Ш

в. А. Алехин

Э

И

П

Е

К

Т Р

Э

Я

Е К

О

Т П

Ш

Н

К

И

Ц

Н

С И И О Т Е Х И М

П

Лабораторный п р а ш кум i облачной сродо
сх е м о ш и то см га нрооктироваиия
T IN A C IO U d

Рекомендовано Редакционно-издательским совет ом Московского
т ехнологического университ ет а (МИРЭА) в качестве учебного пособия для
студентов высших учебных заведений, обучающ ихся по направлениям
подгот овки 27.03.04 - «Управление в т ехнических системах»,
15.03.06 - «М ехат роника и робототехника», 09.03.01 - «Информат ика
и вычислительная техника»

Москва
Горячая линия - Телеком
2017

УДК 621.3.01+621.38
ББК 31.21+32.85
А49
Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор В. Л. Белов-, доктор техн. наук,
профессор Л. А. Потапов

А49

Алехин В. А.
Электротехника, электроника и схемотехника. Лабораторный
практикум в облачной среде схемотехнического проектирования
TINACloud. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия Телеком, 2017. - 216 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0631-0.
Изложены основные разделы дисциплины «Электротехника, электро­
ника и схемотехника». Приведено описание четырнадцати лабораторных
работ. Каждая работа сопровождается теоретическим материалом в фор­
ме конспективного изложения основных разделов лекций, примерами рас­
четов и моделирования электрических цепей и электронных схем, расчет­
ными домашними заданиями по обработке экспериментальных результа­
тов. Компьютерный лабораторный практикум построен на базе новой об­
лачной среды схемотехнического проектирования TINACloud компании
DesignSoft, подключение пользователя к которой происходит через Интер­
нет в любом месте и в любое время без установки программы на собствен­
ном устройстве с использованием как настольного компьютера, так и раз­
личных мобильных устройств (ноутбуков, планшетов, смартф онов).
Практикум предназначен для формирования навыков, умений и компе­
тенций в расчетах и экспериментальных исследованиях электрических це­
пей и электронных схем. Пособие может быть использовано как при тра­
диционных, так и дистанционных технологиях обучения студентов.
Для студентов, обучающихся по направлениям 27.03.04.62 - «Управ­
ление в технический системах», 15.03.06 - «Мехатроника и робототехни­
ка», 09.03.01 - «Информатика и вычислительная техника», изучающих
дисциплины «Электротехника», «Электроника», «Электротехника, элек­
троника и схемотехника».
Б Б К 31.21+32.85
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
Учебное издание

Алехин Владимир Александрович
Эл ектро техн и ка, электроника и схем отехн и ка. Лабораторны й
ПРАКТИКУМ в о б л а ч н о й с р е д е с х е м о т е х н и ч е с к о г о
проектирования

TINACloud

Учебное пособие д л я вузов
Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. И. Чернышова
Обложка художника О. В. Карповой
П од п и сан о в п еч а т ь 02.12.2016. Ф о р м а т 6 0 x 8 8 /1 6 . У ч . и зд. л. 13.5. Т и р а ж 500 экз. И зд . № 160631
О О О «Н аучно-техническое издательство «Г оря чая лин ия -Т елек ом »

ISBN 978-5-9912-0631-0

© В. А. Алехин, 2017
@ Издательство «Горячая линия - Телеком», 2017

ВВЕДЕНИЕ

B.l. Облачная технология TIN ACIoud
в электротехническом образовании
Изучение электротехники и электроники в соответствии с фе­
деральными государственными образовательными стандартами пре­
дусматривает практическое освоение студентами эксперименталь­
ных методов исследования электрических цепей и электронных
схем, формирование компетенций, умений и навыков расчёта элек­
трических цепей и электронных схем.
В Московском технологическом университете (МИРЭА) был со­
здан и в течение нескольких лет успешно используется компьютер­
ный лабораторный практикум в программной среде TINA [1]. Эта
программная среда разработана компанией DesignSoft и предостав­
ляет весьма широкие возможности для анализа и проектирования
электрических цепей и разнообразных электронных схем. Исполь­
зуя производительный, мощный и доступный инструмент модели­
рования схем, можно анализировать и проектировать аналоговые,
цифровые, микропроцессорные и смешанные электронные схемы,
включая схемы импульсных источников питания, радиочастотные,
коммуникационные и оптоэлектронные схемы. TINA включает в
себя все основные языки описания аналоговых, цифровых и сме­
шанных электронных устройств (VHDL, Verilog, Verilog-A и Verilog
AMS). Это позволяет испытывать сложные модели в различных
условиях работы.
Большим достоинством этой программной среды стала возмож­
ность применять в учебном процессе упрош;ённую бесплатную вер­
сию TINA-TI, которой вполне достаточно для знакомства с програм­
мой и исследования электрических цепей и аналоговых электрон­
ных схем. С использованием моделирования в программе TINA-TI
в МИРЭА издано несколько мультимедийных электронных учебни­
ков, в которых теоретический материал наглядно иллюстрирован
моделированием схем и устройств [2, 3]. Студенты получают до­
машнюю электроннзгю лабораторию и могут глубже изучить работу
электронных устройств на вполне точных моделях.
В последние годы широкое внедрение информационно-комму­
никационных технологий (ИКТ) приводит к появлению новых сис­
тем обучения. Развитые ранее преимзщественно для открытого и

дистанционного образования (ОДО) мобильные обучающие системы
(МОС) в последние годы стали активно использоваться и в очном
обучении. МОС использует современные мобильные беспроводные
устройства и высокоскоростной интернет.
Обучение становится своевременным, достаточным и персона­
лизированным («just-in-time, just enough, and just-for-me»). Ha пер­
вое место выходят такие дидактические принципы, как мультимедийность, структурированность или модульность, интерактивность,
доступность.
Для мобильного обучения компания DesignSoft предлагает но­
вый программный продукт TINACloud [4], позволяющий выполнять
виртуальные исследования и лабораторные практикумы по электро­
технике, электронике и микропроцессорной технике на ноутбуках,
планшетах и других мобильных устройствах в любое время и в лю­
бом месте. TINACloud использует облачные интернет-технологии и
может запускаться через браузер в любом месте мира без установки
программы в компьютере. Этот сервис предлагает множество обра­
зовательных ресурсов и позволяет TINACloud по своим возможнос­
тям практически не уступает последней версии обычной программы
TINA-10, но по стоимости лицензии значительно дешевле. Так, це­
на студенческой лицензия на один год составляет сейчас 12 евро.
Оплату можно сделать на сайте TINACloud.
Преподаватели смогут оценить возможности облачной среды в
мобильном и дистанционном обучении.
TINACloud работает на большинстве операционных систем в
компьютерах, а также на планшетах, на большинстве смартфонов,
умных телевизорах и электронных книгах. TINACloud можно ис­
пользовать в классе, дома, в любой точке мира, где есть Интернет.
Облачная среда TINACloud предоставляет услугу, называемую
Software as а Service (SaaS), и предполагает доступ к приложениям
как к сервису, т. е. приложения провайдера запускаются в облаке и
предоставляются пользователям по требованию как услуги. Други­
ми словами, пользователь может получать доступ к ПО, развёрну­
тому на удалённых серверах компании DesignSoft, посредством Ин­
тернета, причём все вопросы обновления и лицензий на данное ПО
регулируются поставщиком данной услуги. Потребитель при этом
не управляет базовой инфраструктурой облака, в том числе сетями,
серверами, операционными системами. На конечном пользователе
лежит ответственность только за сохранность параметров доступа
(логинов, паролей и т. д.) и выполнение рекомендаций провайдера
по безопасным настройкам приложений.

На сервере DesignSoft работает высокопроизводительный много­
ядерный движок. Каждый год электронные схемы становятся быст­
рее и более сложными и, следовательно, требзгют больше вычисли­
тельной мощности для анализа их работы. Для выполнения этих
требований TINACloud имеет возможность использовать набираю­
щие популярность многопоточные процессоры, так что время испол­
нения TINACloud будет до 20 раз быстрее по сравнению с TINA-8 и
более ранними версиями. Конечно, полностью реализовать возмож­
ности TINACloud можно с высокоскоростным Интернетом.
Открыв TINACloud через Интернет, можно создать любую схе­
му или загрузить готовую с сервера, выполнить более 20 режимов
моделирования и получить результаты в окне диагргимм или в ин­
терактивном режиме. TINACloud имеет уникальные образователь­
ные инструменты для проверки знаний студентов. Преподаватель
может создать тесты с несколькими варисштс1ми ответов, решением
проблем или задачами по устранению неисправностей и дистанци­
онно контролировать и оценивать результаты.
В мультимедийном образовательном процессе TINACloud пре­
доставляет преподавателю возможность с любого компьютера, под­
ключённого к Интернету, проводить презентации моделирования
процессов в электронных схемах.
Компания DesignSoft предоставила нам возможность бесплат­
ной работы в TINACloud для создания нового лабораторного прак­
тикума на основе изданного ранее [1]. В этой работе участвова­
ли студенты МИРЭА Г.В. Волосных, Д.А. Бондарев, А.О. Вебик,
К.С. Салов. Результаты выполненной работы докладывались на
конференциях [5-7].
Учебное пособие содержит 15 лабораторных работ по электри­
ческим цепям, аналоговой и цифровой электронике и соответствует
содержанию дисциплины «Электротехника, электроника и схемо­
техника» для направлений подготовки бакалавров: «Управление в
технических системах» (27.03.04), «Информатика и вычислитель­
ная техника» (09.03.01), «Мехатроника и робототехника» (15.03.06),
«Радиотехника» (11.03.01), «Конструирование и технология элек­
тронных средств» (11.03.03).

В.2. Указания по выполнению и защите
лабораторных работ

1.
Лабораторные работы проводятся на компьютерах, имеюпц1х
доступ к Интернету. Студенты могут пользоваться своими ноутбу­
ками и планшетами.

2. Перед выполнением каждой лабораторной работы студен­
ту следует заранее изучить рекомендованный к данной теме теоре­
тический материал, выполнить предварительные расчётные и кон­
трольные задания, предшествуюпще лабораторному заданию, озна­
комиться с содержанием лабораторного задания, продумать ответы
на вопросы для самопроверки, подготовить в компьютере файл про­
токола (в формате .docx) для регистрации результатов эксперимен­
тов и скриншотов схем.
3. Лабораторные работы выполняются отдельными бригадами
из двух-трёх человек. Бригада оформляет на занятии один про­
токол.
4. В начале лабораторной работы преподаватель проводит
опрос студентов, проверяет выполнение расчётных и контрольных
заданий, наличие протоколов и готовность к работе.
5. При компьютерном моделировании экспериментальные дан­
ные следует вносить в файл протокола. Можно делать скриншоты
схем и графиков.
6. Работа считается выполненной после утверждения препода­
вателем протокола бригады.
7. Для захциты лабораторной работы каждый студент по каж­
дой работе составляет в электронной и печатной форме индивиду­
альный отчёт, который должен содержать:
• предварительные расчётные и контрольные задания;
• схемы исследованных электрических цепей;
• результаты исследований (в виде таблиц, графиков);
• итоговое расчётное задание;
• выводы по работе.
8. Работа считается защищённой после собеседования, утверж­
дения индивидуального отчёта преподавателем и решения контроль­
ного задания по работе.

В.З. Основные сведения о программе
TIN A C Ioud
В.3.1. Общая характеристика среды
TINA Design Suite является мопщым доступным пакетом про­
граммного обеспечения для анализа, проектирования и тестирова­
ния в режиме реального времени схем с аналоговыми, цифровыми
компонентами, микроконтроллерами и компонентами, определённы­
ми в описаниях HDL (Hardware Description Languages), а также для
проектирования печатных плат макетов схем. Можно также про­
анализировать радиочастотные схемы, коммуникации связи, оптоэ­

лектронные схемы и механические приложения с 3D-интерфейсом.
TINA представляет собой приложение для Windows, которую вы
должны установить на вашем компьютере или на сервере локаль­
ной сети.
В этом учебном пособии использована онлайн-версия TINA, ко­
торая называется TINACloud и является прекрасным инструментом
для дистанционного образования. В учебном процессе программа
имеет уникальные инструменты для дистанционного моделирова­
ния электронных устройств, тестирования знаний студентов, мони­
торинга прогресса обучения и внедрения в учебный процесс методов
поиска и устранения неисправностей. С помопц>ю дополнительных
аппаратных средств TINACloud может использоваться для тести­
рования реальных схем и сравнения с результатами, полученными
при моделировании. Большое значение для преподавателей имеют
также инструменты, необходимые для подготовки образовательных
материалов.
Рассмотрим подробнее наиболее важные особенности TINA­
Cloud.

В.3.2. Требования к аппаратным и программным
средствам для работы с TINACloud
Полезной особенностью TINACloud является то, что среда ра­
ботает на всех широко известных платформах, включая аппаратные
средства и операционные системы. Общие требование в том, чтобы
все платформы имели доступ в Интернет и совместимый браузер.
На настольных компьютеры и ноутбуках можно работать с Mic­
rosoft Windows ХР / Vista / Windows 7/8 и браузерами IE 9, Chrome
34.0, Pirefox 29.0 или более поздними версиями.
Для Мас-компьютеров и ноутбуков подходят OS X, Safari,
Chrome.
Для Linux-компьютеров и ноутбуков требуется Chrome или Firefox.
Для планшетов и айфонов iOS Apple iPad требуется ОС IOS
5.x, б.х, 7.x, а также Safari, Chrome.
Для Android-планшетов, ридеров, смартфонов и смарт-телевизоров требуются ОС Android 2.x, 3.x, 4.x, а также Chrome, Pirefox.
Для Windows Phone нужна ОС Windows Phone 8, IE 11 или
более поздней версии.
Вторая полезная особенность TINACloud состоит в том, что она
не требует установки. После того как Вы получите ваши учётные
данные (имя пользователя и пароль) и установите хорошее соеди-

попьловлгепа ■

Пароль;
Ir"

paepodiM^

13«(Ыдаoapom.^

Рис. В.1. Окно аутентификации

нение с Интернетом, Вам просто не­
обходимо авторизоваться на сайте и
можно сразу начать работать.
Введите Ваше имя и пароль в
окне аутентификации (рис. В.1), и
TINACloud откроет приветствен­
ную страницу (рис. В.2).

ШЩ

WEB-BASED
QRCUIT
DESIGN & ANALYSIS
Рис.

в.2.

Приветственная страница

В.3.3. Интерфейс программы
Большим достоинством программы TINACloud является мно­
гоязычный интерфейс с хорошим переводом. Мы используем рус­
скоязычную версию.
Следующим шагом Вы можете в меню Файл открыть провод­
ник и загрузить свою готовую схему или схему из многочислен­
ных примеров. Если выбрать Новый, откроется схемный редактор
(рис. В.З), в котором можно собрать новую схему.
Схемный редактор имеет большой набор разнообразных элек­
тронных компонентов (рис. В.4). Группы компонентов открываются
кнопками меню. Каждый компонент (например, транзистор) содер­
жит библиотеку моделей, выпускаемых разными фирмами.
Рассмотрим панель инстрзгментов схемного редактора. Слева
установлены привычные для редактирования кнопки: новый, от­
менит ь, повторить, вырезать, копировать, вставить, уда­
лить, повернут ь влево, повернут ь вправо, отразить (рис. В.5).
Следуюш;ая кнопка
редактор свойств открывает для вы­
деленного компонента окно редактирования параметров (рис. В.6).

^

Предв*р^твпы»ым просмотр

n«iut
-

Student!

I:

a

■1

My CrcuH*
St; О

W>1(2)t*C

Alekhm crcuts
!

£^,

■W1 TSC
labU(1).tsc

€ O S A tO V

о

♦,

I

■^»tob1(5)t»c

* OBEBK

f»; OB 0M0A«Ev

’ I*b14■ 1, с ^ 2, е
3.
Записываем для схемы с тремя независимыми узлами канони­
ческие уравнения МУН в матричной форме для расчёта напряже­
ний в узлах:
(и г)

(G n

U2

—

G

21

^ G si

\ и з)

G i2

G ia

G 22
G 32

G

23

G 33J

J

22

\ J 33J

В матрице узловых проводимостей диагональные проводимости
С ц , G 2 2 , G33 с одинаковыми индексами находим как сумму прово­
димостей всех ветвей, подключённых к узлу с таким же индексом
(G ii = Gi + G4 + G5, ...). Недиагональная проводимость с разными
индексами (например, G 12) равна взятой со знаком минус проводи­
мости всех ветвей, соединяющих узлы 1 и 2 (G 12 = - G 4,
Узловые токи J u, J2 2 , J33 находим как алгебраическую сумму
подключённых к данному узлу источников напряжения, делённых
на сопротивления ветвей, в которых они находятся, и источников
тока. Со знаком плюс берём источники, направленные к узлу. Нат

пример, J22 =

р

-®2

, р

1X 2 +

■

-К и н

Пример 1. Схема электрической цепи изображена на рис. 1.5.

Найти токи во всех ветвях и напряжения Ubd и Ucd-

—

С :?7 —
ГЧ

Ri

IS1 4

4 Ом

/л ф

Л,
6 Ом

ш

14
Ri

/?4

ЗОм

6 Ом

Рис. 1.5. Схема к примеру 1

Рис. 1.6. Схема моделирования
к примеру 2

Рекомендации:
1. Замените источник тока на источник напряжения.
2. Параллельно включённые сопротивления йз и R 4 замените
эквивалентным.
3. В полученной одноконтурной цепи по второму закону Кирх­
гофа рассчитайте ток I 2 .
4.
5.
6.
7.

Вычислите напряжения Ucd и Ubd по закону Ома.
Вычислите токи /3 и U по закону Ома.
По первому закону Кирхгофа вычислите ток Д.
Запишите численные ответы для токов и напряжений.
Пример 2. Соберите схему моделирования рис. 1.6. Изобра­
жения элементов электрической цепи соответствуют европейским
стандартам.
Измерение напряжений в схеме можно провести и без включе­
ния приборов (рис. 1.7). Для этого в главном меню наберите Ана­
лиз — Анализ пост оянного тока — Узловые потенциалы. По­
явится курсор-рука. Касаясь им любого проводника, Вы измерите
напряжение относительно земли.
Если Вы коснётесь резистора, то увидите падение напряжения
на нём.
Полный отчёт о всех напряжениях и токах в схеме можно по­
лучить, набрав в главном меню Анализ — Анализ постоянного
тока — Таблица результ ат ов пост оянного тока (рис. 1.8).
Напряжения и токи на отдельных элементах измерены по на­
правлению узлов, указанных в скобках. Поэтому токи в резисторах
и напряжения на них могут быть отрицательные и не соответство­
вать стрелкам на схеме рис. 1.5.

-Ш © »

Й У а п р в о *п о т *и ц *а п

1«V

СО

>

_5

HV

V_fS1fe.tl

•ev

V_R1E0,1I

■tv

v .iw p .^

-12V

V_R3(0.21

-ev

V_R4p».2I

-ev

3

■

Е

v.vsip .11

ттл]

.1A

1

иорч
■2A

t.R3(0,21

• 1000mA

□
^ И т».
г

i

ЗШФЫТ» ,

,,

ч21 i.

Рис. 1.8. Таблица результатов анализа схемы на постоянном токе

Дополнит ельное задание: для контура R 1 -E -R 2 -R 3 прове­
рит ь выполнение второго закона Кирхгофа.

1.4. Делитель напряжения
В исследованной схеме напряжение в узле В Щ = 18 В, а на­
пряжение в узле С Uc — G В. Сопротивления R 2 , R 3 , R 4 образуют
делитель напряжения. Параллельное соединение сопротивлений
Яз и
обозначим Дз || Д4 = (3 •6 )/9 - 2 Ом. Напряжение в узле
С находим по формуле
R

3 11R 4

-^

2

= 6 В.
= 18Uc = Ub'R 2 + R 3 WR4
"4 + 2
Так на резисторах можно получить часть входного напряжения.

1.5. Делитель токов
К узлу С из резистора
подходит ток /г = 3 А и делится на
ток 1 з и I 4 пропорционально проводимостям третьей и четвертой
ветвей. Ток /4 можно рассчитать по формуле
т= Г
^
^Сз + С4

.

Дз
_ о 3 _
Д3 + Д4
3+ 6

1.6. Баланс мощности
В электрической цепи постоянного тока сумма мощностей, вы­
деляемых источниками энергии, равна сумме мохцностей, потреб­
ляемых в нагрузках (резисторах). В цепи (см. рис. 1.5) мощность
источников
Р„ст = E I 2 + JUad = 12 •3 + 4 •6 = 60 Вт;

мощность потребителей
■Рпотр = I\Rl + ^2-^2 + I 3 R 3 + I^Ri = 6 + 36 + 12 + 6 = 60 Вт.

Как видим, баланс мощности выполняется.
Мо1Цность источника тока, подключённого к узлам ad (см.
рис. 1.5): P j = JUad (источник тока направлен к узлу а).

1.7. Метод эквивалентного генератора,
согласование нагрузки с генератором
В схеме рис. 1.5 требуется найти ток только в одной ветви, на­
пример ток I 2 в ветви Ьс. Такой расчёт проще сделать методом
эквивалентного генератора. Для этого отключим временно резис­
тор Й2 и найдём напряжение холостого хода Щсхх между точками
Ьс. Затем найдём входное сопротивление Еьсвх схемы относительно
точек Ьс. Заменим цепь с нагрузкой R 2 эквивалентным генератором
(рис. 1.9), в котором
= t / f e c x x , RbК В — Rbcъx •
Можно доказать, что в нагрузке R 2 будет
Ь
----- 1 Iвыделяться наибольшая активная мощность, если выполняется условие согласованил на­
h
грузки с генератором, а именно: R„ = R 2 =
R
= RsKB- При этом максимальная мощность в
i
Е2

ес

нагрузке будет равна Р m a x — T‘d ~ •
4 /1 э к В

Пример 3. В схеме рис. 1.5 найти ток нагрузки I 2 и мощность в нагрузке методом ЭКВИ-

валентного генератора.

Р д р

J

g

эквивалентного генератора

Рекомендации:
1. В режиме холостого хода ток в схеме рис. 1.5 будет проходить
только в источнике тока и резисторе R i . Напряжение холостого хода
найдём по формуле Щ с х х = U a b x x + Е = JR\ + Е.
2. При расчёте входного сопротивления Кьсвх источник тока эк­
вивалентен разрыву, а источник напряжения эквивалентен корот­
кому замыканию.
Пример 4. В схему рис. 1.10 включён ваттметр W для измерения
мощности. В таблице результатов находим ток I 2 - 3 А, мощность
в нагрузке Р = PM j == 36 Вт.
o c n n u ft»
УстрвАстм
VP_1

6V

VPJ
VP_3

le v

V«»_4

1«V

V _ » 4 e .i)

-•V
•ev
■IJV
-•V

V_R3(0 5

-ev
17V

V.V81P.1J

■2A
u m m

■КЮОаА

L V B tfJ .ij

•M
WM

MM
I SE

на пре м ***

i
■

ЙВымаи

Г

Рис. 1.10. Схеыа моделирования к примеру 4

Найдём оптимальное значение нагрузки Дг- Для этого выделя­
ем ваттметр. В открывшемся окне Properties выбираем Оптимизацуя/Целъ (рис. 1.11).
Выделяем резистор R 2 . В окне Properties рядом с номиналом
нажимаем Подробности, выбираем 0пт имизация\06ъект , уста­
навливаем Начальное значение = 2, К онечное значение = 20, на­
жимаем ОК (рис. 1.12).
Далее в главном меню выбираем Анализ — Оптимизация.
В новом окне Запуст ит ь оптимизацию постоянного тока
(рис. 1.13) выбираем Обычный. Нажимаем Запустить.
После вычислений получаем результат оптимального выбора
сопротивления нагрузки (рис. 1.14).
Оптимальное значение резистора R 2 автоматически устанавли­
вается в схеме. Повторно проведём измерения и в Таблице резуль-

I Prep«rttM

В а т т м » т р :Р М 1

Да
Параметр

{Ыяшшуы

Рис. 1.11. Окна установки целей оптимизации
еСОЫ Щ

По^зробпосп» !Олтми1М|«0АООмсг r^z\

Т;

П»ИИ П1

Оггшмтац»1*ЮС%
SieppM) р«гате««г

i- .

3 m» w w *

т

..

Тил cM v««rH ara

Конечное

16

Кошчестао сл|гчам

$
ОК

i.''

OTweMTTv

Рис. 1.17. Установка шагового изменения напряжения Е
Речм*» « и а л я м

PewMа»«»гкза циагп«ршвтр4
Парамгр
Экач«*м1»
S»e(ipng modt

Чо1«0иик»«о>««ь 5
если п ^ 5;
если п > 5

Если работу выполняет бригада студентов, возьмите номер сту­
денческого билета бригадира.
Установите рассчитанные по формулам или заданные препода­
вателем величины напряжения каждого из двух источников напря­
жения. Значения напряжений запишите в рабочий отчёт и поддер­
живайте неизменными.
Номинальные значения резисторов для каждой бригады могут
быть заданы преподавателем.
2. Определите токи во всех ветвях при действии только источ­
ника напряжения Ei. Для этого установите значение Е 2 = 0.
Значения токов можно определить следующим способом:
В главном меню выберите Анализ — Анализ постоянного т о­
ка — Таблица результ ат ов пост оянного тока. В таблице ре­
зультатов Вы получите все токи и напряжения на элементах цепи
и в узлах.
Результаты измерения трёх токов запишите в табл. 1.1.
Токи надо обязательно определять с учётом знаков для «услов­
но положительных направлений», обозначенных на схеме (рис. 1.21).
Для этого стрелка тока должна быть направлена к знаку «плюс»
прибора.
3. Определите токи во всех ветвях при действии только источ­
ника напряжения Е^. Для этого установите значение Ei = 0 .
Результаты запишите в табл. 1.1.
4. Включите два источника напряжения. Определите токи
h , h , h при действии обоих источников (с учётом знаков токов).
Результаты запишите в табл. 1.1.
5. По опытным данным пунктов 2 и 3 подсчитайте токи h , h , h
при действии обоих источников напряжения и сравните результаты
с экспериментом п. 4.
6. В схеме с одним источником напряжения E i, вместо Е 2 под­
ключите вольтметр и измерьте напряжение холостого хода Uxx меж­
ду разомкнутыми правыми зажимами. Затем закоротите вольтметр

E i^

0; E 2 = 0

E j ^ 0\ Е 2 ^ О

(опыт)

Е г : ^ 0] Е 2 ^ 0
(расчет)

/1, мА
h , мА
/ з , м А

и, иА
h , иА

/в. мА

перемычкой и измерьте ток короткого замыкания 1кз при замкну­
тых зажимах. Рассчитайте входное сопротивление цепи со стороны
правых зажимов.
7. Установите Ei равным нулю. Исключите два источника на­
пряжения. Измерьте омметром из группы компонентов Измери­
тельные приборы входное сопротивление со стороны правых за­
жимов. При измерении входного сопротивления вместо удалённых
источников напряжения и тока надо оставить их внутренние сопро­
тивления. Сравните результаты, полученные в п. 6.
8. Включите два источника напряжения. В главном меню вы­
берите Анализ — Анализ пост оянного тока — Таблица резул ь­
татов пост оянного тока. Запипште в табл. 1.2 значения напря­
жений в узлах схемы.
Таблица 1.2
4>а

Ч>Ь

4>d

к

После вычислений получаем
результат о п ти м а л ь н ого в ы бо р а со ­

R7 - Cof’t»TM(/w*n-#

800

3«рьгтъ

пр оти вл ен и я н а гру зк и (рис. 1.22).
Запипш те значение

оп ти м ал ьн ой

н агрузк и и значение т о к а h Рис. 1.22. Оптимальное сопротивление нагрузки

10. П ол у ч и ть гр а ф и к зависиМОСТИ МОЩНОСТИ ОТ СОПрОТИВЛеНИЯ

нагрузки. Для этого удалим из схемы все амперметры. В главном
меню выбираем Анализ — Анализ пост оянного тока — Пере­
даточная характеристика пост оянного тока. Устанавливаем в
окне (рис. 1.13) изменяемый параметр Ввод — R 7 , начальные значе­
ние Й7 = О и конечное значение R j = 2Лвх и нажимаем Запустить.
Получим искомый график.

Домашнее расчётное задание
1. По опытным данным п. 5 рабочего задания подсчитать токи
во всех ветвях при действии обоих источников напряжения.
2. По данным из табл. 1.1 подсчитать входные и взаимные про­
водимости ветвей 9 1 1 , 9 1 2 , 9 2 1 , 9 2 2 и записать выражения для токов
h и I 2 по принципу наложения.
3. Подсчитать, при каком значении напряжения Е 2 ток во вто­
рой ветви будет равен нулю.
4. По данным табл. 1.2 и значениям токов рассчитать сопро­
тивления всех ветвей схемы. Сравнить результаты с данными, за­
данными по схеме.
5. Рассчитать входное сопротивление схемы со стороны пра­
вых зажимов. Сравнить с результатами предыдущих измерений и
расчётов.
6. Используя Uxx и Двх для принятого в схеме значения Ei и оп­
тимального сопротивления нагрузки Д70ПТ1методом эквивалентного
генератора рассчитать ток I 2 и сравнить с опытными данными.
7. Построить график зависимости мощности, выделяемой в на­
грузке, от сопротивления нагрузки. Для оптимальной нагрузки рас­
считать и построить график зависимости мощности в нагрузке от
тока в ней. Сделать выводы об условиях выделения максимальной
мощности в нагрузке.
8. Построить потенциальные диаграммы для контура с источ­
ником напряжения и без источника напряжения.
9. Сформулировать и записать выводы по результатам экспе­
риментов и расчётов.

2

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
ПЕРЕМЕННОГО ТО КА

2.1. Символический метод расчёта
В электрических цепях переменного тока токи и напряжения
меняются во времени и могут иметь синусоидальную гармоничес­
кую форму или периодическую несинусоидальную форму. Поэтому
электрические цепи переменного тока разделяют на цепи синусои­
дального тока и цепи несинусоидального тока.
Расчёт электрической цепи при синусоидальном сигнале.
При гармоническом синусоидальном сигнале e{t) = Em sin(w^ +
+ 'Фе ) расчёт электрических цепей проводят символически мето­
дом с использованием комплексных амплитуд токов и напряжений
и комплексньЕХ сопротивлений.
Рассмотрим пример расчёта простой цепи синусоидального то­
ка (рис. 2.1). Для расчёта символическим методом исходную цепь
для мгновенных значений напряжений и токов (рис. 2.1,а) заменя­
ют символической схемой замещения для комплексных амплитуд
напряжений и токов и комплексных сопротивлений (рис. 2.1,6).
'.'-45*
VM4. Для этого в главном меню вы­
ч.'Р.З
бираем Анализ — Анализ перемен- t '■'Р-З
y.cip.1)
кого тока — Таблица результ а­
V_t.1I2.3J
115lV/45*
тов переменного тока. Таблица
V_Rlp11
5»/.^135*
результатов показана на рис. 2.6. Vv.vc.poi
.ч-..мг
8Ч'/ЭЬ4Г
J/Gip.OI
V/f.5
Vv.'.«ipoi
j.n«1p,0|
В ней заказаны амплитуды и фазы на88
v/»
m4
tT
\"j
5eev/-45*
V„AC5l.C4
пряжений и токов. Сравните полу*з
V_V4«p.1J
56^'/.135*
ченные Вами результаты расчёта и
V_VM4p,4
11314'‘/45*
LL1E231
2вЗА/.45‘
компьютерного моделирования. Об­
2t3A/MS‘
LR1{0.1J
ратите внимание, что напряжение
2вЗА-'135*
V .R 1[0,1] = 5,66/135° = -UR на схе­
r,‘
^ЛC
see-/
ме рис. 2.3 так как направлено про­
sw>тивоположно. Поэтому по результа­
_____ t1,31V
там моделирования комплексная ам­ t^ y»noewe
плитуда t/д ^ = 5,66е^(135»-180“) ^
|^вы»сль1
=

5,660- ^ ^ ° .

Подключение вольтметров к
элементам цепи (рис. 2.4) позволяет
получить графики всех напряжений.

Ль*ля:
Заггустить анализ передаточн ой х а ра ктери сти ки

Парш»1р

.

С

1

_

Огончть пот
ftti0en9

Всл0*:питьопор»»>юточ|{/

OtoCpajMTb e s»*v»ap««

SenycTWTfc

vj

W .......

Otwe»ср«»мниого тока
гичммгетр

Значение

С тартом» чветот*

Ю

Котм««г1
стк*1
*оет»

zir

4m

Ичл»тн**«ост*{HI
O a n < lr«

Рис. 3.2. Модель с согласным включением катушек

Нет

Рис. 3.3. Панель установки параметров связанных индуктивностей

С «иия

С инусвидальная с о л ю
П чм м ет»
AMfinmvwMEAl
ч*с тс та {Н 2} (f)
Фюа iflegJ tP}

Рис. 3.4. Установка режима генератора напряжения

3. В генераторе напряжения А С R eM JtU
. rx
У стр ой ств
установить амплитуду сигнала 1 В,
1 2 5 m A /9 0 *
LV Q 1{2, e H « )p a jK e ra w
лиз — Анализ переменного т о­
S?jB«ecv3b<
э«срьs = 4 мГн,
L 2 >s =■ 4 мГн, Ml = 2 мГн. При этом угловая частота и> — 1000 1/с
и реактивные сопротивления катушек и взаимной индуктивности

А С Re«u(t»
■У€ТрО«КТВ4

Н « ^ а ,« е и и » Т о м

'iJ
Мвых = « с Дифференцирующая цепь с использованием элементов R т
я. L
показана на рис. 5.20 при R » шЬ, Пвых = uL' Электрическое интег­
рирование можно осуществить также при помощи схемы рис. 5.21
при условии R
шЬ, Ывых = Ur.

сн :
[и..

R
С-

и^1

Рис. 5.18. Дифференцирующая
ЯС-цепь

Рис. 5.19. Интегрирующг1я
ЯС-цепь

о-С

О—

t

^ л

и^1

Рис. 5.20. Дифференцирующая
R L -ц е п ъ

о

лМ

Рис. 5.21. Интегрирующая
ЯЬ-цепь

5.6. Переходные и импульсные характеристики
Переходная характеристика определяется как отношение реак­
ции цепи на ступенчатое воздействие к величине этого воздействия
при нулевых начальных условиях. Переходная характеристика чис­
ленно совпадает с реакцией цепи на воздействие в виде единичной
функции l(t). Переходную характеристику h(t) можно определить,
рассчитав переходный процесс и найдя Ывых(0 при подключении к
цепи источника постоянной э.д.с. £■ = 1 В.
Импульсная характеристика определяется как отношение ре­
акции цепи на бесконечно короткий импульс бесконечно большой
высоты и конечной плош;ади к площади этого импульса при ну­
левых начальных условиях. Импульсная характеристика численно
совпадает с реакцией цепи на воздействие в виде дельта-функции
dm
. Взаимосвязь переходной h(t) и импульсной hs{t) харак­
т
=
dt
теристик определяется известными операторными выражениями:
hs{t) = h{0)S{t)
h {t)= [
Jo

h\t) ^ K ip );

h s {t)d t^ H {p ) =

K jp )
P

U^bixip)
— операторная передаточная функция цепи;
Us.{p)
Н {р) — изображение переходной характеристики.
Подставив в К (р) вместо р комплексную частоту jcj, получим
комплексную частотную характеристику цепи K {ju)). Частотные
зависимости модуля К (w) и аргумента
называют амплитудночастотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристиками цепи.
где К {р) =

5.7. Вопросы для самопроверки и задания
для подготовки к лабораторной работе
1. Что называют переходными процессами и когда они проис­
ходят?
2. Объясните физический смысл первого и второго закона ком­
мутации.
3. Как определить порядок цепи при расчёте переходных про­
цессов?
4. Объясните последовательность расчёта переходных процес­
сов классическим методом.
5. Объясните последовательность расчёта переходных процес­
сов операторным методом.
6. Какой вид имеют переходные процессы в цепях первого по­
рядка?
7. Как изменяется напряжение на каждом из двух элементов
при подключении постоянного напряжения Е к цепям Д С и RL?
8. Как выглядят графики выходных напряжений при действии
прямоугольного импульсного сигнала на входе дифференцирующе­
го и интегрирующего звена?
9. Какой вид могут иметь переходные процессы при подключе­
нии постоянного напряжения Е к ЯЬС-цетш?
10. Что такое переходные и импульсные характеристики цепи?
11. Что такое передаточная функция цепи и как её найти?
12. Как связаны переходные и импульсные характеристики с
передаточной функцией цепи?

5.8. Лабораторная работа N^ 5. Исследование
переходных процессов в цепях с
сосредоточенными параметрами R, L, С
Цель работы. В работе исследуются переходные процессы в це­
пях первого порядка R, L я R ,C , а также в цепи второго порядка
R ,L ,C при апериодическом и колебательном характерах процесса.

А. Сборка схемы моделирования
1.
Собрать схему измерений рис. 5.22. Наблюдение переходных
процессов затруднено их кратковременностью. Поэтому для иссле­
дования применяется входной сигнал в виде периодической последо­
вательности прямоугольных импульсов. Схемы исследуемых цепей
собираются для каждого задания и включаются между клеммами
1А, 1В и 2А, 2В. Номинальные значения сопротивлений, ёмкостей и
индуктивностей устанавливаются в соответствии с заданиями.

Установить прямоугольную фор­
му сигнала, частоту генератора 5 кГц,
амплитуду прямоугольных импульсов
1 В.

Б. Исследование ЯС-цепи
2. В схеме интегрирующей RCцепи рис. 5.22 включить заданную
преподавателем ёмкость и сопротивле­
ние Ri
100 Ом. Вход ЯС-цепи под­
Рис. 5.22. Схема компью­
ключить к клеммам 1А и 1В генерато­
терного моделирования
переходных процессов
ра сигналов. Выход ЛС-цепи подклю­
чить к клеммам 2А и 2Б схемы изме­
рений.
3. Длительность развертки осциллографа установить такой,
чтобы на экране наблюдались не более двух-трех периодов импульс­
ного сигнала.
4. В интегрирующей R C -цепи, снимая выходной сигнал с ём­
кости, наблюдать на осциллографе и зарисовать осциллограммы на­
пряжений Ubx и Ывых = u c{t), соблюдая масштабы напряжения и
времени.
5. Выбрать в главном меню режим Анализ — П ереходной про­
цесс, установить время наблюдения от О до 500 мкс и получить гра­
фики переходного процесса (рис. 5.23). Измерить по графикам на­
пряжения u c{t) постоянные времени ДС-цепи при заряде ёмкости
Гз и разряде ёмкости Гр.
оа* 1

в|« I о«ив огт. I

200

-,

i.QO-

000-

■

-

100 -

200000

■ I..............

100 ООи

200 ООи
В р е м я (S )

ЭООООи

~п
40000U

6. Установить
= 1 кОм. Повторить исследования по пп. 4, 5.
7. Собрать дифференцирующую ЛС-цепь (см. рис. 5.18), вклю­
чив ту же ёмкость между клеммами 1А-1В, а резистор Ri между
клеммами 1В-2Б. Выходной сигнал снимать с резистора. Полу­
чить 0С1Ц1ЛЛ0граммы и графики
и и^ых — un{t) для значений
Ri = 100 Ом и Дх = 1 кОм. Провести исследования по пп. 4, 5.

В. Исследование ЯХ-цепи
8. Собрать интегрирующую ЛЬ-цепь по схеме рис. 5.21, ис­
пользуя заданную преподавателем индуктивность и сопротивление
Ri
100 Ом. Провести исследования по пп. 4,5, снимая выходной
сигнал с сопротивления.
11. Установить
= 1 кОм. Повторить исследования по п. 8.
12. Собрать дифференцирующую ДЬ-цепь по схеме рис. 5.20,
используя заданную преподавателем индуктивность и сопротивле­
ние R\ — 100 Ом. Провести исследования по п. 8, снимая выходной
сигнал с индуктивности.
13. Установить i?i — 1 кОм. Повторить исследования по п. 12.

Г. Исследование ЯЬО-цепи
Y

Собрать ЛЬС-цепь на
^ 1А R1 767 “ L1 Ют
vF2 P^c. 5.24, используя ёмкость и ин«
С дуктивность из предыдущих пунк­
тов исследования. Установить час­
тоту генератора 500 Гц. По фор­
©
муле (5.8) рассчитать критическое
значение сопротивления потерь
2А
2Б
Д к р . при котором будет критичес~ кий переходной процесс.
Рис. 5.24. Схема моделирования
Сделать R\ упргшляемым объRLC-цепи
ектом и установить три значения:
^iKp —500 Ом, Дхкр) RiK’p + 500 Ом. Выбрать режим Анализ — П е­
реходной процесс, установить Запуст ит ь показ 2 мс, Окончить
показ 4 мс и получить графики переходных процессов (рис. 5.25).
Подписать графики и объяснить их форму.
15. Повторить исследования по п. 14, снимая выходной сигнал
UR{t) с ёмкости.
16. Повторить исследования по п. 14, снимая выходной сигнал
Ubit) с индуктивности.

д. Исследование переходных и импульсных характеристик
17. По указанию преподавателя собрать одну из схем рис. 5.185.21, исследованных в предыдущих пунктах (например, рис. 5.26).

Рис. 5.25. Графики переходного процесса

Установить в генераторе напря­
жения форму сигнала в виде единич­
ной функции включения l{t), резис­
тор Ri = 1 кОм. Выполнить Ана­
лиз — Переходной процесс, устано­
вив Запуст ит ь показ О мс, Окон­
чит ь показ 2 мс. Зарисовать гра­
фик выходного сигнала, соответствзгющий переходной характеристике
цепи (рис. 5.27).

1А

R1 1к

1Б

VF2

-ч

t„^n определя­
ется соотношением hg{t) w

^имп

Uвыxit)■

T rM W t} Q

: Тг«я««м2 р

I Tranw el 3 Щ jj T r m « r t S £3

Рис. 5.27. График выходного сигнала

-область). Электронно-дырочный
переход называют ;>-7г-переходом. Электронную проводимость име­
ет, например, четырёхвалентный кристалл кремния с примесью пя­
тивалентного фосфора. Такой полупроводник имеет неподвижные
положительные ионы, свободные электроны, называется полупро­
водником п-типа, а соответствующую примесь называют донорной.
Дырочную проводимость имеет кристалл кремния с примесью трёх­
валентного индия. Такой кристалл имеет неподвижные отрицатель­
ные ионы, недостаток электронов, называется полупроводником ртипа, а соответствующую примесь называют акцепторной. Дырка
является фиктивным носителем заряда, образуется в кристалле на
месте отсутствуюш;его электрона, имеет положительный заряд, рав­
ный по величине заряду электрона.
Принцип работы р-п-перехода показан на рис. 7.1. В кристалле
кремния, имеюш,ем гг-область и р-область, в результате встречного
движения противоположных зарядов в области с меньшей их кон­
центрацией на границе областей возникает диффузный ток и собст­
венное электрическое поле Е'собств- На границе раздела двух об­
ластей происходит скачкообразное изменение знака объёмного заря­
да, возникает контактная разность потенциалов V’k, напряжённость
собственного электрического поля максимальна и создаёт потен-

0-

/>-тип

I

Свободная дырка

]

Л -Т И П

Свободный э л е щ о н

■7^

6© © ©

© © © @

©

©

ё

© @

Р

©

©

©

I

]

© ©

К
-0

©©©©

0

Неподвижный
отрицательный ион

Неподвижный
положительный ион
р-и-переход

и

дг/

Рис. 7.1. Условное изображение р-п-перехода

циальный барьер U, препятствующий дальнейшему прохождению
диффузного тока.
Если к внешним контактам р-п-перехода А и К подключить от­
рицательное напряжение С/дк < О, то созданное этим напряжением
внешнее электрическое поле в ползгароводнике будет складываться
с -Бсобств, 2>-п-переход останется закрытым и во внешней цепи бу­
дет существовать незначительный по величине обратный ток /обр,
обусловленный током проводимости неосновных носителей и назы­
ваемый током насыщения 1,.
Если к внешним контактам р-п-перехода А и К подключить по­
ложительное напряжение С/дк > О, то созданное этим напряжением
внешнее электрическое поле в полупроводнике будет компенсиро­
вать -Бсобств, вызывать прямое смещение р-п-перехода, р-п-переход
откроется и во внешней цепи появится диффузионный ток 1д„ф, вы­
званный диффузией основных носителей, преодолеваюш;их потенци­
альный барьер. Величина потенциального барьера составляет для
разных материалов от 0,6 до 1,2 В.
При открытом р-п-переходе прямой ток во внешней цепи кроме
диффузионного тока содержит ток проводимости, протекаюпщй в
противоположном направлении. Полный ток при прямом смещении

]>-п-перехода определяется уравнением Эберса-Молла
=

=

(7.1)

При температуре Т = 300 К тепловой потенциал (рт = 25 мВ,
поэтому уже при £7 = 0,1 В формулу (7.1) можно упростить:

Дифференциальное сопротивле­
ние р-п-перехода можно определить
по формуле
1

dl

Гдиф

dU

откуда получим
^’ д и ф

=

( i + isY

Вольтамперная характеристика
р-п-перехода показана на рис. 7.2,а.
Прямое напряжение не превышает
контактной разности потенциалов -фкРис. 7.2. Вольтаыперная
Обратное
напряжение ограничивает­
характеристика р-п-перехода
ся пробоем р-п-перехода. В закрытом
состоянии через р-п-переход проходит малый по величине ток 7обрКак видно, р-п-переход пропускает ток в одном направлении и мо­
жет использоваться для выпрямления синусоидальных токов. При
лавинном пробое происходит резкое увеличение числа подвижных
носителей зарядов, ток через р-п-переход неограниченно возрастает,
а напряжение на нем остаётся неизменными. Это используется для
стабилизации напряжения. Лавинный пробой обратим, свойства по­
лупроводника восстанавливаются после снятия напряжения. Одна­
ко вслед за лавинным пробоем может произойти тепловой пробой,
который разрушает полупроводник.
Полупроводниковымдиодом на­
к
к9
зывается полупроводниковый прибор,
имеюш;ий два вывода и один выпрямVD1
ляюш;ий р-п-переход. Структура по­
лупроводникового диода показана на
А
А
рис. 7.3,0, условное обозначение дио­
а)
б)
в)
да показано на рис. 7.2,6.
Рис. 7.3. Полупроводниковые
Электрод, подключённый к обла­
диоды
сти р, называют анодом, а электрод,

\7

подключённый к области п, — катодом. Вьшрямительные ползгпроводниковые диоды используют для выпрямления токов величиной
от десятков миллиампер до десятков ампер. При протекании боль­
шого тока через р-п-переход в объёме полупроводника падает зна­
чительное напряжение. С учётом этого вольтамперная характерис­
тика приобретает вид
I -=
где R называют последовательным сопротивлением.
Высокочастотные диоды детектируют сигналы на частотах до
десятков мегагерц. Выпрямительные диоды при высоких обратных
напряжениях имеют необратимый тепловой пробой (пунктирная ли­
ния на рис. 7.2).
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, работа­
ющий в режиме лавинного пробоя и предназначенный для стабили­
зации постоянного напряжения. Условное обозначение стабилитро­
на показано на рис. 7.3,в. По графику ВАХ на участке лавинного
пробоя можно найти дифференциальное сопротивление стабилит­
рона:
R .диф.СТ — J
■П
■ *С Т

Мощность рассеяния у стабилитронов составляет от сотен мил­
ливатт до десяти ватт.
Тиристором называют полупроводниковый прибор с двумя
устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно вклю­
чёнными р-п-переходами. Наиболее распространённая структура
управляемого тиристора с четырьмя чередующимися слоями полу­
проводников р- и п-типов показана на рис. 7Л,а. Кроме анодного и
катодного выводов, управляемый тиристор имеет ещё вывод управ­
ляющего электрода (УЭ). УЭ может подключаться к ближайшей к
катоду р-области (тиристор с катодным управлением) или к бли­
жайшей к аноду п-области (тиристор с анодным управлением).
На рис. 7 А ,6 показана схема включения тиристора с катодным
управлением. Источник напряжения Еу„р через сопротивление Ry„p
создаёт в УЭ ток управления 1у. В цепи анода I при возрастании
анодного напряжения U остаётся малым до напряжения включения
^^вкл) которое зависит от тока управления. После открывания ти­
ристора анодный ток скачком увеличивается и переходит на участок
ВАХ открытого состояния (рис. 7.4,в). Для выключения тиристора
надо згменьшить анодный ток до значения тока удержания /уд или
поменять полярность напряжения на аноде.

УЭ

К'
а)

б)

в)

Рис. 7.4. Структура (а), схема включения (б) и вольтамперная
характеристика (в) тиристора с катодным управлением

7.2. Лабораторная работа N* 7. Исследование
полупроводниковых диодов, стабилитронов и
тиристоров
Цель работы:
исследование вольтамперных характеристик
(ВАХ) и типовых схем включения ползгароводникового диода, ста­
билитрона и тиристора.
1.
Собрать схему компьютерного моделирования полупровод­
никового диода и стабилитрона рис. 7.5.

SW1

Рис. 7.5. Схема компьютерного моделирования диода и стабилитрона

В схеме использован источник постоянного напряжения VS1,
диод D1 1N1183 (марку диода надо взять по указанию преподава­
теля), стабилитрон Z1 (марку взять по указанию преподавателя),
балластный резистор R1, резистор нагрузки R2. Измерительными
приборами служат вольтметр VM1 и амперметр АМ1. Переключе­
ния в схеме осуществляются четырьмя ключами SW.

А. Исследование полупроводникового диода
1. Замкнуть ключи 1 и 2, разомкнуть ключи 3 и 4. Для из­
менения состояния ключа надо подвести к нему курсор, получить
изображение чёрной вертикальной стрелки и щёлкнуть левой кноп­
кой мыши. В открывшемся окне Свойства ключа изменить D C
состояние на Вкл-Выкл.
2. Установить напряжение источника VS1 равным 1 В (это не
влияет на результаты последуюш;его анализа).
3. В строке меню выберите Анализ — Анализ пост оянно­
го тока. В диалоговом окне переходных характеристик на посто­
янном токе Передаточная характеристика постоянного тока
Аислш
i
)

X

1.

П ер ед ато ч н а я х ар ак тери сти ка п осто ян н о го тока
П чм м етр
M a in s w « * p

?>

НачШЬНОб »4»«вмoeee»^Tbш*жу«Ж..Г'

Рис. 7.9. ВАХ полупроводникового диода

(рис. 7.6) установите начальное значение анализа Начальное значе­
ние — 200т, конечное значение анализа К онечное значение 800т,
входная переменная Ввод VS1. Нажмите Запустить.
Откроется окно результатов с двумя графиками (рис. 7.7).
Для идентификации графиков в строке инструментов выбери­
те Auto-label curve
, подведите курсор к графику и щёлкните
левой кнопкой мыши. Появится метка графика.
Удалим из результатов линейный график напряжения VM1.
Для этого подводим курсор к графику VM1, выделяем его, щёлк­
нув левой кнопкой, и в окне Настроить кривую нажимаем
Delete curve.
4.
Изменим масштаб графика по вертикальной оси. Для это­
го подводим курсор к вертикальной оси, выделяем её левой кноп­

кой мыши, открывается диалоговое окно. В окне установки осей
(рис. 7.8) установим нижний предел О, верхний предел 6. Нажи­
маем ОК и получаем график вольтамперной характеристики диода
(рис. 7.9). По графику видно, что диод начинает открываться при
положительных напряжениях 0,6...0,7 В. При напряжении 0,8 В ток
диода достигает 6,5 А.

Б. Исследование стабилитрона
5.
Исследуем стабилитрон без нагрузки. Для этого в схеме
рис. 7.5 замкнуть ключи 1 и 3, разомкнуть ключи 2 и 4. В режиме
Анализ — Анализ пост оянного тока — Передаточная харак­
теристика пост оянного тока устанавливаем начальное значение
—8 В, конечное значение 2 В (рис. 7.10).
АН« 0) аналогична прямой ветви ВАХ полупроводникового диода.
При напряжении С/ > 0,7 В стабилитрон открывается как обычный
диод. Левая ветвь (С/ < 0) до напряжения - 6 В аналогична ветви
обратного тока диода. При этом ток через стабилитрон практически
равен 0. При напряжении —6,8 В в данном стабилитроне происходит
лавинный пробой и на практически вертикальной падающей ветви
тока вьшолняют стабилизация напряжения.
6.
Исследуем стабилизатор напряжения без нагрузки. Схема
простейшего стабилизатора без нагрузки показана на рис. 7.12. Ста­
билитрон включён в закрытом состоянии последовательно с баластным сопротивлением Ri.
Выбираем в меню режим Анализ — Анализ постоянного т о­
ка — Передаточная характеристика пост оянного тока. Изме-

Рис. 7.11. ВАХ стабилитрона

няем напряжение VS2 от - 1 0 В до +10 В. В графике ВАХ по вер­
тикальной оси устанавливаем пределы - 2 В и 10 В, число отметок
{ticks) равно 7.
ВАХ стабилитрона без нагрузки показана на рис. 7.13. При
отрицательных входных напряжениях U < -0 ,7 В стабилитрон ра­
ботает как открытый диод. Напряжение на нем составляет - 0 ,7 В.
При положительных напряжениях стабилитрон сначала закрыт и
напряжение на нем повторяет возрастающее входное напряжение
VS2. При напряжении
= 6,8 В происходит лавинный пробой ста­
билитрона и напряжение стабилизируется на уровне 6,8 В.

SW-SPST3

Рис. 7.13. ВАХ стабилизатора без нагрузки

7.
Исследуем стабилизатор напряжения с нагрузкой. Для этого
в схеме рис. 7.12 замкнём ключ 4. Резистор R2 надо сделать управ­
ляемым объектом. Начальное значение сопротивления 100 Ом, ко­
нечное значение 400 Ом, число вариантов 4.
Проводим Анализ — Режгим — Р еж и м Анализа (Ш аг Па­
раметра) нажимаем ОК. Затем выполняем Анализ — Анализ по­
стоянного тока — Передаточная характеристика пост оянно­
го тока, изменяя VS2 в пределах от —10 В до 20 В (рис. 7.14).
Графики ВАХ (рис. 7.15) показывают, что с уменьшением нагруз­
ки увеличивается входное напряжение VS2, при котором начинается
работа стабилизатора. Рассчитать минимальное требуемое напряже­
ние VS2 можно, используя метод эквивалентного генератора. Так,
при Дг = 100 Ом минимальное напряжение VS2 должно быть 13,6 В
(в два раза выше напряжения стабилизации стабилитрона).
.lOhml
П одробность

Ш а г п а р а м е тр а

П арам етр

SteppMpMmater
Т и п С 8«п-емгнага
Н ачал ьное » м че 1ша

■Лмиейиый
100

Ко»

■] [..

jw

:

Файл I

t XTS

Ь т i Обряботхт» t

Входное налря«внив (V)

Рис. 7.15. Графики ВАХ стабилизатора при разных нагрузках

В. Исследование тиристора
8. Собираем схему моделирования тиристора (рис. 7.16). В схе­
ме применён тиристор 2N1595. Анод тиристора через амперметр
подключён к источнику постоянного напряжения VS1, управляю­
щий электрод подключён к источнику тока IS1. Выделяем тирис­
тор на рабочем поле, открываем Свойства, открываем ТЬ,п и изу­
чаем параметры тиристора (рис. 7.17). Пороговый ток включения
составляет 5 мА. Поэтому мы будем исследовать характеристики
тиристора для управляющих токов от 1,8 до 2,4 мА.
9. Сделаем источник тока IS1 переменным параметром и уста­
новим пределы изменения 1,8 мА...2,4 мА, число вариантов 4. Про­
водим Анализ — Анализ пост оянного тока — Передаточная ха­
рактеристика пост оянного тока, изменяя VS1 в пределах от О
до 10 В. Полученные ВАХ показаны на рис. 7.18.
C soA cT»*
Т и ри сто р U1
ЗМ М вМ *
U1

1 Ш п (»
.|Т д а

2N IS 9S
'ОТМОСИТвЛЬНЯЯ

0

Рис. 7.16. Моделирование
тиристора

1 ^

°*L

[

О таи»»п>

S'*

Редактор ««n n ctfA

•ладвяь .,
I2N1S95

П1РШ
ГГР
Обрвтное «ыярйммие {V}

I

f^owoe.»

»М

i

2NtS96
2N1S97
2N1S99

TenM
KT>gw{*j

jj;2N 2573
' . 2N2S74
' 2N257S

,J 3S

T or «tMc>44№Wire ^

L

i L

Рис. 7.18. BAX тиристора при ргяличных значениях тока управления

Как ВИДНО ИЗ графиков, при значении управляющего тока
1,8 мА тиристор остаётся закрытым до напряжения на аноде 10 В.
Управляющий ток 2 мА открывает тиристор при анодном напряже­
нии 3 В. Управляющий ток 1,5 мА открывает тиристор при напряже­
нии 0,75 В. После открывания графики ВАХ сливаются и тиристор
может быть заменён статическим сопротивлением Лет ~ 8 В /20 А =
= 0,4 Ом.

Домашнее задание
1. По графику вольтамперной характеристики диода (п. 3) най­
ти дифференциальное и статическое сопротивление диода для зна­
чений прямого тока 7„р 1 мА и 5 мА.
2. По вольтамперной характеристике стабилитрона (п. 5) опре­
делить напряжение стабилизации, соответствующее току / у о 2 =
= 100 мА.
3. Рассчитать дифференциальное сопротивление стабилитрона
Ддиф.ст = Uct/ I ct и коэф ф ициент стабилизации fccT = Ubx/ U ct-

4. Используя данные п. 7 лабораторного задания и Ддиф.ст. рас­
считать для Ubx = 10 в выходное напряжение на нагрузке i ?2 =
= 200 Ом и 100 Ом стабилитрона по формуле
•Кдиф.ст-Яг
^2(Лдиф.ст + R l)
йдиф.СТ-Rl
R 10 R2
С/с.
^2(Лдиф.ст +
+ Лдиф.стЛх
Сравнить результаты расчёта и эксперимента.
6.
По вольтамперным характеристикам тиристора (п. 9) при
разных значениях тока управления определить анодный ток вклю­
чения 1а и анодное напряжение включения С/д-

8

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ П ОСТО ЯННО ГО
Т О КА

8.1. Краткие теоретические сведения и методы
расчёта нелинейных цепей постоянного тока
Резисторы, вольт-амперные характеристики (ВАХ) которых не
являются прямыми линиями, называются нелинейными резистора­
ми (HP) или, в более общем определении, нелинейными элементами
(НЭ). ВАХ НЭ получают экспериментально, подключив НЭ к регу­
лируемому источнику питания и измеряя напряжение на зажимах
НЭ и ток через НЭ.
Нелинейные электрические цепи постоянного тока содержат
один или несколько нелинейных элементов (НЭ) с нелинейными
вольт-амперными характеристиками.
Нелинейными элементами в цепях постоянного тока могут быть
полупроводниковые диоды, стабилитроны, тиристоры, транзисто­
ры, лампы накаливания. В нелинейных цепях не выполняется прин­
цип наложения. Поэтому нельзя применять методы контурных то­
ков, узловых напряжений и т. п. Расчёты ведут графическими мето­
дами с использованием нелинейных характеристик.

Статическое и дифференциальное сопротивление
нелинейного резистора
Статическое сопротивление Лет =
= U/I. В точке Ь (рис. 8.1)
тц
RcT = tg а
ТП1

Дифференциальное сопротивление на
малом линейном участке аЬ
Рис. 8.1. к расчёту ста­
тического и дифференци­
ального сопротивления

Я-диф

dU
dl ^

ти
m t'

На малом участке аЪ нелинейный
резистор можно заменить линейной моделью и пользоваться линей­
ными методами расчётов.

Последовательное соединение линейного и нелинейного резисто­
ра. При последовательном соединении (рис. 8.2) для каждого зна­

чения тока суммируются напряжения на линейном и нелинейном
элементах. Заданы ВАХ нелинейного элемента I = /( {/„ э ) и линей­
ного резистора. Суммируя напряжения, находим результирующую
ВАХ I = /{и„э + Ur). На результирующей ВАХ находим точку q
и ток в точке т (рис. 8.3).

и.

и

ь

нэ

Рис. 8.2. Последовательное
соединение

Рис. 8.3. Построение результирующей
ВАХ последовательного соединения

Второй способ расчёта состоит в следующем. По схеме имеем
уравнение 11„э — Е - IR , или
R

R ■

Это уравнение для тока называется нагрузочной прямой.
Строим графики ВАХ и нагрузочную прямую. Точка пересе­
чения называется рабочей точкой (рис. 8.4). Находим в ней ток и
напряжение и„эСложную цепь с одним НЭ можно заменить активным двухпо­
люсником и эквивалентным генератором (рис. 8.5).

л.

а

-0НЭ /

и..

нэ

J
Рис. 8.4. Расчёт рабочей точки на нагрузочной прямой

Рис. 8.5. Замена сложной линейной
цепи эквивалентным генератором

Последовательное соединение двух нели­
нейных элементов (рис. 8.6). В цепи склады­

Рис. 8.6. Последо­
вательное соеди­
нение двух нели­
нейных элементов

ваются напряжения на двух НЭ: Е = U„3 i +
+
Решение выполняют построением ре­
зультирующей ВАХ, суммируя напряжения
по оси абсцисс (рис. 8.7), или строят график
I =
— C/„3i), зеркально отображая ВАХ
второго НЭ относительно вертикальной оси
Е, и находят точку пересечения ВАХ
(рис. 8.8).

'Е

и

Рис. 8.8. Пересечение ВА

Параллельное соединение НЭ (рис. 8.9). Входной ток I равен
сумме токов через нелинейные элементы. Расчёт можно провести,
суммируя токи через НЭ для каждого значения напряжения и строя
результирующую ВАХ (рис. 8.10).

Q

e

I,

Рис. 8.9. Параллельное соеди­
нение двух нелинейных элемен­
тов

Рис. 8.10. Построение результирующей
ВАХ параллельного соединения НЭ

Расчёт разветвлённой цепи методом двух узлов (рис. 8.11). Не­
линейная цепь имеет два узла и три ветви. ВАХ нелинейных эле­
ментов (кривые 1-3) заданы (рис. 8.12).
Примем для определённости Е\ = З^гПо первому закону Кирхгофа 1\ f h + h = 0.

Рис. 8.11. Разветвлённая нелинейная
цепь

Рис. 8.12. ВАХ нелинейных элемен­
тов

По второму закону Кирхгофа
^аЬ — -^1

Uab —

^2

^^нэ2)

UаЬ — ~CAi33-

Выразим напряжения на нелинейных элементах:
=

■£'1 ~ Uab\

U u s2 =

~ Е 2 — Uab\

f /н э З =

~U ab-

Построим графики токов в нелинейных элементах от Uab, пре­
образуя ВАХ с учетом источников напряжения. Так, в первой ветви
Uab = E l - С/„э1 напряжение на нелинейном элементе и„э\ = Е \ - Uab
будет равно нулю, если Uab = E i, и будет возрастать, если Uab < Е^.
Поэтому график ВАХ НЭ1 сместится по оси абсцисс в точку Ei и
будет зеркальным отображением исходной ВАХ (см. рис. 8.12).
Аналогично построим графики токов для ветвей 2 и 5. Сумми­
руем графики токов, получаем результирующую ВАХ (пунктирная
линия) и находим выполнение условия 1\ + 1 2 + 1з = О- В результате
получаем токи в ветвях (рис. 8.13).

Вопросы для самопроверки и задания для
подготовки к лабораторной работе

8 .2 .

1. Чем отличаются нелинейные элементы электрических цепей
от линейных?
2. Какие свойства имеют вольтамперные характеристики нели­
нейных резисторов?
3. Как определить статическое и динамическое сопротивление
нелинейного резистора?
4. Какие электрические цепи называются нелинейными?
5. Чем отличаются методы расчёта нелинейных и линейных
цепей?
7. Как экспериментально определяют вольтамперные характе­
ристики нелинейных элементов?
8. Как рассчитать ток в цепи, содержащей источник напря­
жения и последовательно соединённые линейный и нелинейный ре­
зисторы?
9. Как рассчитать ток в цепи, содержащей источник напряже­
ния и параллельно соединённые два нелинейных резистора?
10. Как методом двух узлов рассчитать разветвлённую цепь с
тремя нелинейными ветвями, содержащими источники напряжения
и нелинейные резисторы?
11. Поясните, почему в схеме с тиристором (см. рис. 9.5а) воз­
можно возникновение колебаний.

8.3. Лабораторная работа N® 8. Исследование
нелинейных электрических цепей постоянного
тока
Цель работы — определение вольтамперных характеристик не­
линейных элементов, исследование режимов работы неразветвленных и разветвлённых нелинейных электрических цепей.

Описание схемы моделирования
Схема моделирования показана на рис. 8.14. Модели нелиней­
ных элементов НЭ1, НЭ2, НЭЗ, НЭ4 содержат диоды, стабилитро­
ны, транзисторы, резисторы и формируют несколько видов нели­
нейных ВАХ. Модели НЭ подключаются к внешнему источнику на­
пряжения Ео ключами [1]-[4]. К нелинейным элементам подключе­
ны источники напряжения Е 1 - Е 4 . Резистор Ri является нагрузкой
нелинейных элементов и может отключаться ключом [5]. Ключ [6]
позволяет включить НЭЗ и НЭ4 последовательно. Ключ [7] отклю­
чает источник напряжения ЕО от НЭ2-НЭ4. Резисторы К ш , R 2 U,

01 01Ы

S
OS t i u

S

■s

I

о

a

I

«j
О
pH

00

6
s
cu

ll

Язи, R m служат для измерения токов в ветвях цепи. Конкретные
модели и параметры элементов могут быть заданы преподавателем.

Лабораторное задание
Часть 1.

Опытное получение В А Х нелинейных резисторов, ис­

пользуемых в работе

1.
Подключить к источнику напряжения Eq нелинейный эле­
мент НЭ1 без нагрузки, замкнув ключи [1] и [5]. Остальные клю­
чи разомкнуть. Источники напряжения Е 1 - Е 4 установить равны­
ми нулю. Ключ [6] замкнуть на землю. Исследовать ВАХ НЭ1 в
диапазоне напряжений от - 2 0 до +20 В. Для этого в режиме Ана­
лиз — Анализ пост оянного тока — Передаточная характерис­
тика пост оянного тока установить Начальное значение -20V,
Ай«я«з

X

П*р»даточиая хараитвристика постоянного т о м

Maif! sw e «p
.20

КвП|Г4»СТ*0 T04*«
;Vt

3*nye«

V

г»ст«ре»ч:«

Nested
nested

Рис. 8.15. Установка диапазона моделирования ВАХ

Ео
Ri
НЭ-А
НЭ-В

6
120

8

10
-6
6
-8
-1 0
8
-1 0
-8
10
-6
80
80
120 100
80
100 120 100
80
120
НЭ2 НЭ2 НЭ2 НЭ1 НЭЗ НЭЗ НЭ1 НЭ1 НЭ4 НЭ4 НЭ2 НЭЗ
НЭ1 НЭ4 НЭЗ НЭ2 НЭ1 НЭ4 НЭЗ НЭ4 НЭ2 НЭ1 НЭЗ НЭ2
100

Конечное значение 20V (рис. 8.15) и получить ВАХ (рис. 8.16).
Зарегистрировать в протоколе график ВАХ.
2. По номеру бригады выбрать из табл. 8.1 значения нагрузки
Ri и напряжения Ео и рассчитать координаты нагрузочной прямой.
Используя средства рисования программы TINACloud, построить
нагрузочную прямую и найти ток в цепи при включении нагрузки.
3. Включить нагрузку R i, установить заданное в табл. 8.1 зна­
чение £^0 и в режиме A h o jiv s — Анализ постоянного тока — Таб­
лица результ ат ов пост оянного тока определить входной ток Jq.
Сравнить с результатом расчёта.
4. Для нелинейных элементов НЭ2-НЭ4 повторить исследова­
ния по п. 1-3.

Соединения нелинейных элементов
5. Для каждой бригады в табл. 8.1 заданы номинальные зна­
чения источника напряжения Ео, линейного резистора Ri и модели
(НЭ-А, НЭ-Б) нелинейных элементов, включённых параллельно.
Включить параллельно нелинейные модели НЭ-А и НЭ-Б. Пов­
торить исследования по пп. 1-3.
6. Включить последовательно нелинейные модели НЭЗ и НЭ4.
Повторить исследования по пп. 1-3.
7. Подключить НЭ-А. Включить соответствуюпщй выбранно­
му НЭ источник напряжения {Е 1 - Е 4 ) и сделать его параметры пе­
ременными, например Е 3 = - 5 В, О В, -|-5 В. Для этого заходим
в параметры. В параметре напряж ение нажима;ем кнопку подроб­
нее, напротив Stepped parameter ставим галочку, Начальное значе­
ние выставляем —5, Конечное значение 5, Количество случаев 3.
Во вкладке Анализ — Режим, выставляем Р еж и м анализа: Шаг
параметра. В режиме Анализ — Анализ постоянного тока —
Передаточная характеристика постоянного тока зарегистри­
ровать смещение ВАХ по оси напряжения (рис. 8.17).
Отменить переменный параметр источника напряжения можно,
убрав галочку на вкладке Param eter Stepping и выставив Р еж им
анализа: Одиночный.

Рис. 8.17. ВАХ НЭЗ при разных значениях напряжения смещения

Часть 2. Исследование разветвлённой цепи с тремя
нелинейными элементами

£4*

Рис. 8.18. Схема развет­
влённой нелинейной цепи

8.
Собрать цепь по рис. 8.18,
разместив в ветвях нелинейные эле­
менты НЭ2, НЭЗ, НЭ4. Ключом [7]
отключить источник напряжения
Ео- Значения Е 2 , Ез и
в вольтах
с учётом их полярности для каждой
бригады даны в табл. 8,2.
Тщательно зарисовать схему с
заданными параметрами источни­
ков напряжения в протокол лабора­
торной работы.
Таблица 8.2

Jfs бригады

1

2

3

4

5

б

7

8

9

10

11

12

Е2
Ез
Ei

10
0
8

10
-8
0

6
-6
0

10
-1 0
0

10
0
-6

10
0
6

-1 0
0
-6

-1 0
0
10

-6
10
0

-8
8
0

-1 0
-1 0
0

8
0
10

9.
Используя режим Анализ — Анализ постоянного тока —
Таблица результ ат ов пост оянного тока определить токи в из­
мерительных резисторах Дай, Дзи, R ah и записать токи во всех
ветвях с учётом их направлений. Найти напряжение Uab между уз­
лами. Проверить выполнение первого закона Кирхгофа.

-2000

-1000

ООО

WOO

2000

Input « Л а д е (V )

Рис. 8.19. ВАХ парё1ллельного соединения трёх НЭ

10.
Ключом [7] П О Д К Л Ю Ч И Т Ь источник нгшряжения Eq. В режи
ме Анализ — Анализ пост оянного тока — Передаточная харак­
теристика пост оянного тока получить ВАХ трёх параллельно
включённых нелинейных элементов из п. 8. В точке ВАХ с нуле­
вым значением тока найти 17аь (рис. 8.19) и сравнить с результатом
из п. 9.

Домашнее задание
1. Построить графики ВАХ исследованных нелинейных элемен­
тов и объяснить принципы их формирования.
2. Для исследованных НЭ найти токи и напряжения в после­
довательном соединении НЭ с заданным в табл. 8.1 источником на­
пряжения и линейным резистором.
3. Построить результирующую ВАХ для параллельного соеди­
нения двух НЭ по п. 5. Графически найти режим цепи для заданных
в таблице 8.1 параметров и сравнить с экспериментом.
4. Построить результирующую ВАХ для последовательного со­
единения двух НЭ (п. 6). Двумя методами рассчитать режим в цепи
и сравнить с результатами эксперимента.
5. Произвести графический расчёт токов в разветвлённой цепи
(п. 8) методом двух узлов и сопоставить результаты опыта и расчёта.
6. При оформлении отчёта рекомендуем использовать методы
численного расчёта нелинейной цепи с использованием программы
Mathcad [3].

9

ВЫ ПРЯМ ИТЕЛИ НА
ПО Л У П РО ВО Д Н И К О ВЫ Х ДИОДАХ

9.1. Краткое теоретическое введение
Выпрямление переменного тока
В данной главе проводится анализ
схем однополупериодного и двухполупериодного выпрямления переменного то­
ка с использованием полупроводниковых
диодов. ВАХ реального неуправляемо­
го диода (кривая 1, рис. 9.1) имеет ветвь
прямого тока при и > О и ветвь обратно­
го тока при U < 0. Обратный ток io6p У
Рис. 9.1. Вольтамперная
качественных диодов очень невелик (еди­
характеристика реального
(J) и идеального (2) диода
ницы микроампер). Прямой ток может
достигать у мощных диодов десятков ампер. При теоретическом
исследовании процессов выпрямления реальный диод мы заменяем
идеальным, имеющим прямоугольную ВАХ (кривая 2, рис. 9.1).
На рис. 9.2 показана простейшая схема однополуперхюдного
выпрямленш , работающая на резисторную нагрузку. При входном
напряжении u{t) — Um sinwt ток и напряжение на Д„ имеют вид по­
ложительных полуволн (рис. 9.3). Моменты отпирания и запирания
диода определяются соответственно моментами перехода напряже­
ния и тока через нулевые значения.

/

т

VD1

К
0Рис. 9.2. Схема однополупериодного выпрямителя

at

0 t

2п

Зл

Рис. 9.3. Диаграмма тока в нагрузке
однополупериодного выпрямителя

В мостовой схем е двухполупериодного выпрямления (рис. 9.4)
при входном напряжении u{t) = Um sin uit ток в нагрузку поступает в
каждый полупериод (рис. 9.5) и имеет форму двух положительных
полуволн i„{t) = {Um/Rh)\ sinujt\. В положительные полупериоды

at
О
Рис. 9.4. Схема двухполупериодного выпря­
мителя

я

2т1

Зя

Рис. 9.5. Диаграмма то­
ка в нагрузке двухполу­
периодного выпрямителя

VD1 и VD2 о т к р ы т ы , а VD3 и VD4 з а ­
В о т р и ц а т е л ь н ы е п о л у п е р и о д ы д и о д ы VD1 и VD2 з а п е р т ы ,
а VD3 и VD4 о т к р ы т ы .
Напряжение на нагрузке Дн равно u„{t) = Um\ sinwt\ и будет
повторять по форме кривую тока.
Функции in{t), Ua{t) в ЭТИХ случаях состоят из суммы постоян­
ной составляющей и гармоник.
В схеме однополупериодного выпрямления постоянные состав­
ляющие напряжения или средние за период значения напряжения
Uo = Y 1о “ н dt и тока /о = у /о г„ dt равны; Uq = Um/т^-, h = ^т/тг.
Первая, вторая и четвертая гармоники напряжения имеют ампли­
туды соответственно {/^ /2 , 2г7гп/3тг, 2С/т/15тг.
Д ля схем ы двухполупериодного выпрямления постоянная со­
ставляющая напряжения на нагрузке Щ = y /о “ н dt = 2Um/'^, ^
ВХОДНОГО н а п р я ж е н и я д и о д ы
кры ты .

постоянная составляющая тока 1о = ^ /о *н dt = 21т1тт. Эти значе­
ния в два раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе.
Вторая, четвертая и шестая гармоники имеют амплитуды соот­
ветственно: 4С/т/ЗтГ, 4i7m/157r, 4(7т/357Г.
Действующее значение переменного тока в нагрузке

Для схемы двухполупериодного выпрямления I = 1т/л/2, то
есть такое же, как для синусоидального тока.
Для схемы однополупериодного выпрямления действующее зна­
чение тока в у/2 раз меньше, чем в схеме двухполупериодного вы­
прямления.

Сглаживание пульсаций выпрямленного тока,
ёмкостной фильтр
Проанализируем работу схемы однополупериодного выпрямле­
ния при наличии ёмкостного фильтра (рис. 9.6).

VD1

К
Рис. 9.6. Однополупериодный выпрямитель
с ёмкостным фильтром

Рис. 9.7. Напряжение на ёмкости фильтра

В открытом СОСТОЯНИИ диода u/ti
^ u t 2 (рис. 9.6) напряже­
ние и = Um sinLjt приложено к нагрузке
С. Ёмкостный элемент
схемы в эти моменты времени заряжается, ток через диод равен
сумме токов через резистивный и ёмкостной элементы. В момент
времени t 2 ток через диод равен нулю, диод закрывается. Угол запи­
рания диода равен
= arctg(—о;Л„С) = 7r-arctg(w ^„C ), ток через
диод i{u)t2 ) = О, напряжение на конденсаторе Uc{cjt2 ) = {7mSinwi2После закрытия диода, начиная от t 2 до (Т + ti), происходит раз­
ряд конденсатора С на резистор Л„ по экспоненхщальному закону
и с = f/mSinwt2e“ ^‘ “ ‘ 2)/-RHC Кривзл Uc(t) приведена на рис. 9.7.
В момент ti входное напряжение становится равным напряжению
на ёмкостном элементе, диод открывается. Для определения мо­
мента открытия диода ti запишем равенство
Um sin(o;ti) = Um sin(wt2) exp

2тг + u ti - Ult2'
u}RuC

(9.1)

Величину ёмкости С практически выбирают так, чтобы при за­
данной нагрузке выполнялось соотношение и Я „С > 1, тогда напря­
жение на ёмкости спадает относительно медленно.
Схема двухполупериодного выпрямителя с ёмкостным филь­
тром отличается от рис. 9.2 тем, что параллельно сопротивлению
нагрузки R„ включается ёмкость С.
Решение уравнения (9.1) можно выполнить численно, исполь­
зуя Mathcad.
При ujR„C > 10 (с погрешностью 5 %) можно принять uit2 =
= тг12, для расчёта u ti пригодна приближенная формула
sin(wti) = exp

1,5тг 4- Ljti
ojRnC

При этом следует принять значение
< тг/2.
Зная
и u)t2 , найдём постоянную составляющую напряжения
на Harpy3Ket/o как среднее значение за период Т в угловом измере­
нии за 2тг для однополупериодного выпрямителя и тг для двухполу-

Рис. 9.8. Графики напряжения на нагрузке в однополупериодном (U Cl(a;t))
и двухполупериодном (UC2(a;t)) выпрямителе при т = и/НиС = 5

периодного выпрямителя:
1

/*^2
Г
/
Umsm(ujt) dujt + /
Jujti
j U!t2

uc{t)duit

Рассчитанные в Mathcad графики формы выпрямленного на­
пряжения на нагрузке приведены на рис. 9.8. В расчётах принято,
что амплитуда переменного напряжения ? /„ = 10 В, m = cjR „C = 5,
UOl, UCl — постоянная составляющая и форма напряжения на на­
грузке в однополупериодном выпрямителе, U02, UC2 — постоянная
составляюп1;ая и форма напряжения на нагрузке в двухполупериод­
ном выпрямителе.
Степень пульсации напряжения или тока в нагрузке можно оце­
нить коэффициентом пульсации

= (С/шах -

C/min)/C/o.

Если т > 100...200, ёмкость С не успевает разряжаться за вре­
мя периода Т и напряжение на нагрузке будет практически равно
амплитуде (пику) входного напряжения Um- Такой выпрямитель
называется пиковым детектором и применяется в радиотехнических
устройствах для детектирования сигналов.

П-образный фильтр низких частот
П-образный
фильтр
низких
частот
(рис. 9.9) включают между выпрямителем и
нагрузкой.
Наибольшее сглаживание пульсаций по­
лучают в симметричном фильтре. Для филь­
тра типа К параметр к = \[l JC = Дн,
=
= jujL, 2Z_2 = ~ j2 fojC . Коэффициент переда­
чи по напряжению для гармонических состав-

L
с/2

ляющих пульсаций можно вычислить по формуле
Kuiui) =

R„
(l + 0,bZi/Z2)R„ f Z i

Частота среза ФНЧ и>с = 2jyjL C для однополупериодного вы­
прямителя должна быть в 2...3 раза меньше частоты первой гармо­
ники, а для двухполупериодного выпрямителя — в 2...3 раза меньше
частоты второй гармоники.

9.2. Вопросы для самопроверки и подготовки
к лабораторной работе
1. Нарисуйте вольтамперные характеристики идеального и ре­
ального диода.
2. Нарисзгйте схему однополупериодного выпрямителя и объяс­
ните его назначение и работу.
3. Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямителя и объяс­
ните его назначение и работу.
4. Как рассчитать постоянное напряжение в активной нагрузке
однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя без сгла­
живающего фильтра? На сколько отличаются эти напряжения?
5. Для чего применяют сглаживаюпщй ёмкостной фильтр в
выпрямителях?
6. Как меняется напряжение на ёмкости сглаживающего филь­
тра в однополупериодном выпрямителе?
7. Как меняется напряжение на ёмкости сглаживающего филь­
тра в двухполупериодном выпрямителе?
8. Как рассчитать постоянное напряжение в активной нагрузке
однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя со сглаживаюпщм фильтром? Какое наибольшее значение может иметь
это напряжение и при каких условиях?
9. Сравните достоинства и недостатки однополупериодного и
двухполупериодного выпрямителя.
10. Как определить требуемую полосу пропускания сглажива­
ющего L C -фильтра, работающего с выпрямителями?

9.3. Лабораторная работа N» 9. Исследование
выпрямителей на полупроводниковых диодах
Цель работы заключается в изучении работы одно- и двухполупериодных схем выпрямления, сглаживания пульсаций с помош;ью
простейших фильтров, расчёта токов и напряжений в нагрузке и
сопоставлении результатов расчёта и эксперимента.

Лабораторное задание
1.
Схема моделирования выпрямителей показана на рис. 9.10.
Генератор синусоидального напряжения VG1 подключается к ди­
одному мосту из диодов D1, D2, D3, D4. Ключами [1] и [2] мож­
но установить режим однополупериодного или двухполупериодного
выпрямления. Нагрузка
= 1 кОм подключается к диодам непо­
средственно или с использованием сглаживающих фильтров (Li =
10 мГн, Cl = С 2 = 20 мкФ). Вспомогательный резистор
= 1 Ом
требуется для корректности расчётов и не влияет на точность мо­
делирования.

D1 tN 1183

[L]

0 2 1N1183
L1 Ю т

R2 1

ivw\_ -ЛЛЛг[с2]

[С 1]

[1]
0 3 1N11B3

D 4 1N 11 8 3

«У

/

VMt

iift[2]

h

Рис. 9.10. Схема компьютерного моделирования выпрямителей

А. Исследование однополупериодного выпрямителя
2. Схема для компьютерного моделирования однополупериод­
ного выпрямителя без сглаживающего фильтра показана на
рис. 9.10. В ней ключ [1] разомкнут, ключ [2] находится в ниж­
нем положении, ключ [L] замкнут, ключи [С1], [С2] разомкнуты.
Выпрямление выполняется диодом D1.
3. Установить на генераторе частоту синусоидального сигнала
по згказанию преподавателя в диапазоне от 50 до 200 Гц, амплиту­
ду 10 В.
4. В режиме Анализ — Переходной процесс получить графи­
ки напряжений на выходе генератора (VG1) и на нагрузке (VM1)
(рис. 9.11). В окне результатов удалить графики VG1 и VM1. В
меню результатов выбрать Вид — Разделить кривые. Получим
совпадающие по форме графики токов
и 1= (рис. 9.12).
5. Измерить значения постоянной составляющей и первой гар­
моники напряжений и токов в однополупериодном вьгарямителе.

Рис. 9.11. Графики напряжений однополупериодного выпрямителя

Рис. 9.12. Графики токов однополупериодного выпрямителя

Важное пояснение. В программе TINACloud измерит ель­
ные приборы (вольтметр, амперметр, м ульт им ет р) измеря­
ю т только постоянные и гармонические токи и напряжения.
П оэт ому в схем е рис. 9.10 эт и приборы поставлены для обо­
значения выходных измеряем ых параметров (Output) и не м о­
гут давать правильные значения в таблицах результатов.
Все измерения несинусоидальных величин надо проводить с ис­
пользованием анализа Фурье.

Выбрать в главном меню
к
,.А*КШ
КТУД1(А) ^ ^Амшмтуда{В>
1
Ф урье анализ — Ряды Фурье.
2
9
4
0
0
В окне Вывод выбрать VM1. На­
1
93St2u
3.31
жать Запустить. В поле Фор­ 2
•148
-4118Ги
•8587т
9S622U
мат выбрать Aeff, Beff. При этом
3
4
-287в7т
-11»ЗЭи
будут вычисляться действующие
5
87S980
-Э8«1т
значения постоянной составляю­ в
•11909т
21923л
щей и гармоник.
В таблице 7
-2481т
8S022U
.8347т
8572и
{
(рис. 9.13) получим действующие в
Формат |двЯ;В"
L
'i!
'
значения постоянной составляю­
Копичест»огармоник 16
щей 2,94 В {к = 0), первой гар­
Гармоническоеискамвиие 4S.S464
\
моники -3,31 В {к = 1), второй
Зжрыт» ]
j
...... ..
^ - . .-"i
гармоники —1,48 В (А: = 2) и т.д.
Рис.
9.13.
Результаты
анализа
Знаки «минус» учитывают на­
Фурье
чальные фазы гармоник и не существенны для исследования выпрямителя.
6. В окне Ряды Ф урье — Вывод выбрать АМ1. Исследовать
спектр входного тока 1\. В схеме рис. 9.10 однополупериодного вы­
прямителя с активной нагрузкой без сглаживающего фильтра вход­
ной ток совпадает с выходным.
7. Подключить параллельно сопротивлению нагрзгзки конден­
саторы Cl и C j. Повторить исследования по пп. 4-6. Анализ Фурье
показывает увеличение постоянной составляющей до 3,69 В
(рис. 9.14).

Рис. 9.14. Спектр Фурье напряжения на нагрузке однополупериодного
выпрямителя

Б. Исследование двухполупериодного выпрямителя
8.
В схеме рис. 9.10 установить режим двухполупериодного вы­
прямления без сглаживающего фильтра. Для этого замкнуть клю­
чи [1] и [L], разомкнуть ключи [С1] и [С2], ключ [2] переключить в
верхнее положение.
Повторить исследования по п. 4-7 для VM1, АМ1, АМ2.
Зарегистрировать все графики и действующие значения напря­
жений и токов (рис. 9.15).

Рис. 9.15. Графики напряжений однополупериодного выпрямителя
с ёыкостным фильтром

ФаЛл I Вид I Оеработатъ >

7000т -

АМ1

■ЮООт

70 00т

h

гш г

АМ 2

V____

■10.00тООО

I

2000т

400 0 т

6000т

8000т

Время (S)

Рис. 9.16. Графики тока однополупериодного выпрямителя с ёмкостным
фильтром

ess

e

6 77

a

-1»

968 S3m

.7 ieS m

93S1m

^ 7 3 03m

.224 53m

-65 76m

44 49m

•374

^2413ni

-64 34m

318m

-136 22m

.3 H 7 «m

-63.7вт

26 46m

•85«2m

-22в.2вт

.«347m

2 3 ^

-719в1«

■198 76m

-63Q2m

2292П

^78ffl

.t69.91m

-«2 7m

22.4m

-623m

22S1m

__

.144 79m

Форцлт

Л

Формат Atfff.BHT

КоличествоrapttoHM f «
Гярмонамвсммйскмкме

76.786%

"Hi

Гармоническое мскажение 404 13%

1
Рис. 9.17. Спектр Фурье напряжения
на нагрузке однополупериодного
выпрямителя с ёмкостным фильтром

Рис. 9.18. Спектр Фурье напряже­
ния на нагрузке двухполупериодного выпрямителя с LC-фильтром

9.
Подключить К ёмкостям Ci и С 2 индуктивность Li так, что­
бы образовался П-образный сглаживающий ФНЧ. Рассчитать часто­
ту среза ФНЧ по формуле fc =
■ Установить частоту сигнала
генератора / > 1,5/с- Повторить исследования двухполупериодного
выпрямителя с П-образным LC-фильтром.
Для этого в режиме Анализ — П ереходной процесс исследо­
вания провести в интервале 0...20 мс и 20...40 мс, когда переходные
процессы закончатся.
Сохранив в режиме Анализ — П ереходной процесс установку
интервала 20...40 мс, исследовать спектр VM1, АМ1, АМ2 при зна­
чении Время начала дискретизации 2 0 т. Наблюдать возрастание
постоянной составляющей и уменьшение пульсаций (рис. 9.16).

Домашнее расчётное задание
1. Построить графики напряжения на нагрузке для всех иссле­
дованных схем. Объяснить форму полученных графиков.
2. Для исследованных схем выпрямителей определить по экс­
периментальным данным Umax, Umin, постоянные составляющие Uo,
/ о , первые, вторые и третьи гармоники ? 7 ( 1 ) - { / ( з ) , коэффициент пуль­
саций К „ и сделать выводы о свойствах выпрямителей и сглажива­
ющих цепей.
3. Используя частоту и напряжение сигнала из п. 9, рассчитать
и построить спектр напряжения на выходе диодного моста двух­
полупериодного выпрямителя с идеальными диодами. Рассчитать
коэффициент передачи сглаживающего П-образного ФНЧ на посто­
янном напряжении и второй гармонике сигнала.

10

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИ СТИК
БИПОЛ ЯРНО ГО ТРАНЗИСТОРА
И УСИЛИТЕЛЯ НА БИПОЛЯРНОМ
ТРАН ЗИ СТ О РЕ

10.1. Теоретические сведения
Биполярным транзистором называют ползгароводниковый при­
бор, имеющий два взаимодействующих р-п-перехода. В зависимости
от последовательности чередования областей с различным типом
проводимости различают п-р-п-транзисторы и р-п-р-транзисторы.
Транзистор называется биполярным потому, что физические про­
цессы в нем связаны с движением носителей обоих знаков (свобод­
ных дырок и электронов). Трёхслойная структура п-р-гг-транзистора показана на рис. 10.1,а. На рис. 10.1,5 показано условное обо­
значение п-р-п-транзистора, на рис. 10.1,в — условное обозначение
р-п-р-транзистора.

и,,
и..
п-р-п
Уэ

-Л

()*•

^ ()
а)

6)

р-п-р
е)

Рис. 10.1. Структура п-р-птранзистора (а) и условные
обозначения п-р-п-транзистора
(5) и р-п-р-транзистора (в)

Средний слой биполярного транзистора называют базой (Б),
один крайний слой называют коллектором (К), другой крайний слой
называют эмиттером (Э). В зависимости от полярности напряжений,
приложенных к электродам транзистора, различают следующие ре­
жимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсеч­
ки, инверсный. В линейном режиме эмиттерный переход смещён в
прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме на­
сыщения оба перехода смещены в прямом направлении. В режиме
отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. В инверс­
ном режиме коллекторный переход смещён в прямом направлении,
а эмиттерный в обратном.

Биполярные транзисторы применяются в схемах усилителей,
генераторов и преобразователей электрических сигналов, изготав­
ливаются из кремния, германия или арсенида галлия и делятся на
низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (до 30 МГц), высоко­
частотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (более 300 МГц).
По мощности транзисторы бывают маломощные (до 300 мВт), сред­
ней мощности (до 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).
Работа транзистора основана на управлении токами электро­
дов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений. В
линейном режиме приложенное к базе напряжение Нвэ (для п-р-птранзистора 17вэ > 0) открывает переход база-эмиттер. Свободные
электроны инжектируются из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера
/ э в цепи эмиттера. Большая часть электронов, инжектированных
из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем рп-перехода между базой и коллектором, образуя ток коллектора /к
в цепи коллектора. Незначительная часть свободных электронов,
инжектированных из эмиттера в базу, образует ток /вВ схеме рис. 10.1,а база является обпщм электродом входной
и выходной цепи. Такая схема включения биполярного транзисто­
ра называется схем ой с общей базой (ОБ). В усилителях сигналов
применяют также схемы включения биполярных транзисторов с о6щ им эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).
Схема с обпщм эмиттером наиU2
более распространена, исследуется
С
в лабораторной работе и показана
и
на рис. 10.2. В этой напряжение на
нелинейном переходе база-эмиттер
Uy. О
—J>
А
Ub3 = Ев - IbRb- Напряжение
на переходе коллектор-эмиттер

С)

Uk3 = Е к - IkR kРасчёт статического режима
Рис. 10.2. Схема включения
транзистора для усиления малого
транзистора
с общим эмиттером
сигнала проводят графически.
Сначала на выходных характеристиках (рис. 10.3,6) проводят нагру­
зочную прямую для заданных
-Кк и находят номинальный ток
базы /g , при котором напряжение С/кэ примерно составляет £^к/2.
Затем по входной характеристике для заданного Вв находят ЛвВ линейном режиме усиления малого сигнала биполярный
транзистор описывают системой уравнений четырёхполюсника в Нпараметрах:
и вэ

=

h iiis

+

/1 1 2 U K 9 ;

*К

=

/» 2 1 * Б +

/» 2 2 Ы К Э )

a)

б)

Рис. 10.3. Входная (а) и выходные (5) характеристики биполярного
транзистора

где
/ill =

«вэ

h\2 —

*Б

«21 = —
гв

^22 =

«вэ
МКЭ
гк

ig = con st

( 10.1)

«КЭ

Н-параметры биполярного транзистора можно рассчитать по
вольтамперным характеристикам и определить экспериментально.
Их типовые значения находятся в пределах: /гц = 10^...10^ Ом;
hi 2 = 2- 10-'*...2 •1Q-3; /121 = 20...200; /122 - 10“ ^...10"® См.
/g
Пренебрегая малым значе­
нием
параметра /112, получим
Б00К
Л21

/к

В режиме покоя рабочая точ­
ка находится на пересечении на­
грузочной прямой
j^

Рис.

10.6. Схема замещения уси-

лительного транзисторного каскада
для малого переменного сигнала

^ E - U kb
Rk + Дэ

с выходной ВАХ, соответствую­
щей номинальному току базы Jg.
Схема замещения режима
малого сигнала на НИЗКИХ часто,_ _

тах показана на рис. 10.6.
В схеме замещения рис. 10.6 сопротивления Ri и Дг схемы
рис. 10.5 не учитываются, ёмкости для переменного сигнала сна­
чала считаются короткозамкнутыми.
Для схемы замещения без учета ёмкостей коэффициент усиле­
ния по напряжению в режиме холостого хода
_ У-вык_
Ubx

Rk
Нэ + г э ’

где гэ — 25 м В //э — дифференциальное сопротивление перехода
база-эмиттер; 1э — постоянный ток эмиттера.
Отрицательное значение комплексного коэффициента усиления
напряжения отражает изменение фаз выходного напряжения на 180°
относительно входного напряжения.
Если в схеме учесть ёмкость С э, то коэффициент усиления в
режиме холостого хода станет равным
R

k

К и . = — Б-~
- V I + (^ ^ эД э)^ .
Д э + Гэ

(10.2)

Входное сопротивление по переменному току определяется как
параллельное соединение входного сопротивления транзистора
^■бэ = hii = /Згэ и сопротивления Дв, которое служит для уста­
новки рабочей точки каскада.
В схеме (см. рис. 10.5)

Входная разделительная ёмкость С\ образует с входным сопро­
тивлением Двх делитель напряжения и коэффициент передачи вход­
ной цепи составит
К вц =

■ .
v/1 + (Двх^С1)2

(10.4)

С учётом (10.2), (10.4) коэффициент усиления транзисторного
каскада с общим эмиттером на низких частотах можно рассчитать
по формуле
Кихнч = К ихК вц-

(10.5)

С учётом сопротивления нагрузки
на высокой частоте для
малого переменного сигнала соответствует нагрузочная прямая 2,
показанная на рис. 10.3 пунктирной линией и определяемая урав­
нением
Rk Rh
гкикэ = R h + Rk
Ток в цепи нагрузки
г„ =

Rk

- -

R

h

+ R

-гкk

На высоких частотах применяют более точные модели транзис­
торов. Наиболее распространёнными являются модели, основанные
на схеме замещения Джиаколетто (рис. 10.7), в которой сопротив­
ление Гб — распределённое сопротивление базы, дэ и С э отража­
ют полную проводимость эмиттерного перехода, дк и Ск учитыва­
ют влияние коллекторного перехода, проводимость дк э учитыва­
ет связь между эмиттером и коллектором. Усилительные свойства
транзистора учтены крутизной S.

Б0—С

«БЭ

'■б

б’

8к
Сэ

-0 К

Ф

Рис. 10.7. Схема замещения транзистора на высокой частоте

10.2. Вопросы для самопроверки и подготовки
к лабораторной работе
1. Устройство и принцип работы биполярных транзисторов.
2. В чем отличие р-п-р- и п-р-п-транзистора?
3. Схемы включения биполярных транзисторов.
4. Входные характеристики биполярного транзистора и методы
их измерения.
5. Выходные характеристики биполярного транзистора и мето­
ды их измерения.

6. Уравнения биполярного транзистора в системе Н-параметров.
7. Физический смысл и методы измерения Н-параметров бипо­
лярных транзисторов.
8. Схема замещения биполярного транзистора на постоянном
токе и низких частотах.
9. Схема усилительного транзисторного каскада с общим эмит­
тером.
10. Выбор рабочей точки транзисторного усилителя для малых
сигналов.
11. Чем обеспечивается режим транзисторного усилителя по
постоянному току и стабилизация рабочей точки?
12. Расчёт коэффициента усиления транзисторного усилителя
в режиме холостого хода.
13. Расчёт коэффициента передачи входной цепи транзистор­
ного усилителя.
14. Расчёт коэффициента усиления транзисторного усилителя
на низких частотах с учётом входной цепи.

10.3. Лабораторная работа N® 10. Исследование
характеристик биполярного транзистора
и усилителя на биполярном транзисторе
Цель работы — исследование вольт-амперных характеристик би­
полярного транзистора и усилителя на его основе.

Лабораторное задание
А.

Исследование входной характеристики биполярного транзис­

тора в схеме с общим эмиттером и определение статического коэф­
фициента передачи тока

1. Собрать схему, показанную на рис. 10.8. В этой компьютер­
ной модели использован транзистор ВС140 (аналог отечественного
транзистора КТ630). Модель транзистора может быть задана пре­
подавателем.
Транзистор работает в усилительном режиме: эмиттерный пе­
реход смещён в прямом направлении, а коллекторный переход в
обратном направлении (на эмиттер поступает отрицательный по­
тенциал, а на базу и коллектор положительный). В этом режиме
транзистор обеспечивает максимальное усиление сигнала по току,
напряжению и мощности.
Для размещения на схеме транзистора выберете во вкладке По­
лупроводники
NPN Биполярный Транзистор.
2. В схеме установить VS1 = VS2 = 5 В. Ток базы транзистора
измеряется амперметром АМ1.

СКМ&СЛМ
К О И ПО Н Ш Т' |исТ0ЧНМЕН«П{»1Ж№«). .

1

П щ ж м тр

Ш ил

Энянанию
VS2

в м

5

« м
Подробиость: jU te пэдммвтрв
■—

----

Пврвмвтр
Stepped рвпте«9г

т

Тмп ев*г>^«*>«аг1в

(Р

Начально» Л1»*еиие

5

KoMBMiioeaiH'iwie

15

! Korw4«cTBoслучаев

3

1

Рис. 10.8. Схема компью­
терного моделирования
биполярного транзистора

О тмвикт*

1

Рис. 10.9. Окно настройки многовариант­
ного анализа

3. Для СНЯТИЯ ВХОДНЫХ характеристик транзистора при раз­
личных значениях С/кэ выделите VS2, в строке «Н апряж ение»
(рис. 10.9) нажимаем Подробности. Выбираем Шаг параметра —
Начальное значение = 5, К онечное значение = 15, Количество
случаев = 3.
4. В строке меню выберите Анализ — Режим, — Шаг па­
раметра. Затем Анализ — Анализ пост оянного тока — П е­
редаточная характеристика пост оянного тока. В диалоговом
окне (рис. 10.10) установите начальное значение анализа: Началь­
ное значение = О В, К онечное значение = 1 В, Количество точек
= 100, ввод VS1. Нажмите Запустить.
.рх.
Пвр*даточн »11 »»ракт*ристи«а постоянного то м
{;

П»РИИТ(1

ЗНЙЧСММ»

{м а т sw eep

Щ

0

. Начаяъмм зн вчстм

too

К м и че стао т&чв*
!В в о д

, .

,

,

)VS1

Э«пус» режиме т с т» р е м с а

i

D

1

1N e s M d s w c * p

i

ЕпйЫо nected tw « e p

{

.E L . ......................................
Задустить

|!

Отмв*»ить

z

g

J

Рис. 10.10. Окно передаточных характеристик постоянного тока

5.
Откроется окно результатов (рис. 10.11) с четырьмя графика­
ми. Для идентификации графиков выберете Auto Label и укажите
на интересующий график.

fO O O m -

//

eOOm600т -

S
g
н*

I
1

400т -

200т0. 00 '

-200т-

,

ООО

25000т

50000т

—

75000т

100

Рис. 10.11. Входные вольтамперные характеристики транзистора

Б. Исследование выходных характеристик биполярного транзис­
тора в схеме с общим эмиттером

6. Схема для снятия выходных
характеристик биполярного транзис­
тора показана на рис. 10.12. К базе
транзистора подключается источник
тока.
7. Для снятия выходной харак­
теристики при различных значениях
тока базы нужно сделать источник то­
ка IS1 управляемым объектом. Начальное значение тока 250 мкА, конечное значение 2 мА, число варианрактеристик транзистора
ю в 8. Выполняем Анализ— Анализ
постоянного тока — Передаточная характеристика пост оян­
ного тока, изменяя VS1 от О В до 10 В.
При увеличении тока базы транзистора уменьшается высота по­
тенциального барьера эмиттерного перехода, что обуславливает уве­
личение инжекции носителей заряда, а следовательно, и згвеличение
тока через коллектор.
Рис.

10.12. Схема иссле-

дования выходных ха-

В.
тером

Выбор рабочей точки транзисторного каскада с общим эмит­

8.
Собрать схему транзисторного усилителя рис. 10.14. Устано­
вить напряжение питания VS1 = 10 В. Напряжение питания VS1 и
номиналы резисторов могут быть заданы преподавателем. Перемен­
ный входной сигнал не подключать, ключ 1 должен быть разомкнут.

2 0 0 0 0 т-]

tUiiuKilQI
15 000 т-

№ щ У5п

J

Улпстш чап{тяе*«(я

^

С тою »

Jlprn*

ЖВьЛйдь.
ЗЩ>ШГЪ

;

' y c to iM M e T k

' »'

5
“ 1 r ~ - ------! 1 Ощенить

.

Рис. 10.15, Таблица результатов
анализа схемы на постоянном токе

3N»wetfM
5

1

1

3*Фттк

n ip w v p

Рмнм
^

? X
Да

Рис. 10.16. Окно установки целей
оптимизации
?. X

OCR«««e«

ytrpoikna
З а п у с т и т ь о п т и м м и ц и ю п о с т о я н н о г о Т0Х4

iOebM*4i*oe»««

м»кчвеяиг
PtnОиибм

^

м*ксмниъям1шгерм№васс*

v^Aumsi

v_cmn

-82S5emv-

v _ c g :s ]

•1.31V

y_ R l[0 1 }

-825 Sem»/

.'_R2ir.51

-4 17V

V.R^4.4

•969^.'

V.SW.SPSTtf6.4]

OV
CV

3«г^ст«г»

5V

Рис. 10.17. Окно установок оптимиза­
ции
'0СОИ» ’2 1 " З И

Уп

1

У22

б)

Рис. 11.6. Схема усилителя на полевом транзисторе (а) и схема замещения в
У-параметрах (6)

ИСТОЧНИК напряжения Е с создаёт напряжение питания цепи сто­
ка, Источник переменного сигнала ыс подключён между затвором
и истоком. На рис. 11.6,5 показана схема замещения усилительного
каскада на полевом транзисторе в области низких частот для ма­
лых сигналов. Переменное входное напряжение изи преобразуется
управляемым источником тока в переменный ток стока гс, который
создаёт в нагрузке выходное напряжение исиЭтой схеме замещения (без згчёта нагрузки) соответствуют урав­
нения полевого транзистора в Y-параметрах;
*3 = з/п^зи + У12иси;
ic = У21иЗТЛ + У22исив этих уравнениях у п — проводимость утечки затвора транзистора;
7/22 — выходная проводимость; У21 = S — крутизна полевого тран­
зистора (или проводимость прямой передачи); у и — проводимость
обратной передачи. Как правило, считают з/ц = у \2 = 0. Выходная
проводимость 2/22 = 1/Явых, причём Двых составляет 30 кОм и более.
Схема усилительного каскада с общим истоком, которая иссле­
дуется в аналоговой лаборатории, показана на рис. 11.7.
Источник постоянного напряжения Ei задаёт режим по посто­
янному току в цепи стока. Источник Е 2 создаёт смещение на за­
творе, которое регулируется делителем из Ri и Д2. Усилительный
каскад может работать как резистивный усилитель. В этом случае
индуктивность Li следует замкнуть перемычкой и нагрузкой тран­
зистора в цепи стока будет сопротивление R e- Для уменьшения
искажений в резистивном усилителе напряжение смещения затвора
выбирают таким, чтобы {7си « Ei/2.
Входное сопротивление каскада без учёта разделительной ём­
кости Cl
Л1Я2
R\ -I R 2

Коэффициент усиления каскада по напряжению для малого пе­
ременного сигнала в режиме холостого хода без учёта Ci равен
= - S R c (выходное сопротивление полевого транзистора
^^вых ^ 30 кОм много больше, чем R c и не учитывается в резис­
тивном усилителе). С учётом коэффициента передачи входной цепи
коэффициент усиления по напряжение составит
Кцх = SR c K bu, = S R c•^1 + (R bxI^Ci )'^

( 11 .2 )

В резонансном усилителе на полевом транзисторе в цепи стока
включён параллельный колебательный контзф, образованный ин­
дуктивностью Li и ёмкостью Сг- Конденсатор Се является блокиро­
вочным и шунтирует на высокой частоте источник напряжения E i.
В резонансном усилителе на полевом транзисторе на средних
частотах нагрузкой усилительного каскада является параллельное
соединение комплексного сопротивления параллельного контура и
выходного сопротивления полевого транзистора:
Z.C “

:2к-^ВЫХ
Як Rn

По схеме замещения полевого транзистора вычислим выходное
напряжение на контуре
—б'Цвх Дрез Двых
Дрез + Двых

где Дрез = p ^/Rk — резонансное сопротивление контура; /рез =
= ------------- — резонансная частота контзфа; р — \ jL jC — харак2'K\LC
теристическое сопротивление контура; Як — сопротивление потерь
в контуре (Дк « 10 Ом); Q = pjR^\

=

^
экви1 Г льрез/-^вых
валентная добротность контура с учётом потерь в катушках и внут­
реннего сопротивления источника сигнала Явых-

11.2. Вопросы для самопроверки и подготовки
к лабораторной работе
1. Устройство и принцип действия полевого транзистора.
2. Перечислите типы затворов полевых транзисторов и нари­
суйте схематические изображения полевых транзисторов разных ти­
пов.
3. Методы измерения передаточных характеристик полевых
транзисторов.
4. Как выглядят передаточные характеристики полевых тран­
зисторов с управляющим р-п-переходом?
5. Как выглядят передаточные характеристики полевых тран­
зисторов с индуцированным каналом?
6. Как выглядят передаточные характеристики полевых тран­
зисторов со встроенным каналом?
7. Методы измерения и вид выходных характеристик полевых
транзисторов.
8. Схема замещения и уравнения полевого транзистора в Yпараметрах.
9. Физический смысл и методы определения Y-параметров по­
левых транзисторов.
10. Схема резистивного усилительного каскада на полевом
транзисторе с общим истоком.
11. Выбор рабочей точки транзисторного усилителя для малых
сигналов.
12. Схема резонансного усилительного каскада на полевом
транзисторе с общим истоком.
13. Как рассчитать коэффициент усиления резистивного уси­
лителя?
14. Как рассчитать коэффициент усиления резонансного уси­
лителя?

11.3. Лабораторная работа
11. Исследование
характеристик полевого транзистора
и усилителей на полевом транзисторе
А.

Исследование передаточной характеристики полевого транзис­

тора с общим истоком

1. Выбрать TV-канальный полевой транзистор с р-п-переходом
по указанию преподавателя. Открыть Свойства транзистора,
Тип — Подробности и выписать в протокол основные парамет­
ры: пороговое напряж ение, максимальное напряж ение истоксток, максимальное напряж ение исток-затвор, максималь­
ное обратное напряж ение затвор-исток, максимальный ток
истока, максимальный прямой ток затвора, максимальная
м ощ ност ь рассеяния.
2. Собрать схему рис. 11.8. В этой
схеме переменным параметром сде­
лать напряжение на стоке VS2. На­
чальное значение = 5 В, Конечное
значение = 15 В, Количест во случа­
ев = 3. Провести Анализ — Анализ
постоянного тока — Передат оч­
ная характеристика пост оянного
Рис. И .8 . Схема исследотока. Установить Ввод VS1. Параметры Начальное значение и К онечвания полевого транзистора
кое значение выбрать с учётом типа транзистора и передаточных
характеристик (см. рис. 11.4).
Б. Исследование выходных характеристик полевого транзистора
в схеме с общим истоком

3. В схеме рис. 11.8 переменным параметром выбрать напряже­
ние затвор-исток VS1. Установить Начальное значение и Конечное
значение VS1 в соответствии с типом транзистора. Количест во
случаев — 6. Провести Анализ — Анализ пост оянного тока —
Передаточная характеристика пост оянного тока (рис. 11.9).
Установить: Ввод VS2. Начальное значение = О В, Конечное зна­
чение по заданному напряжению питания стока.
Семейство выходных характеристик (рис. 11.10) в программе
TINA Cloud легко ползгчить для широкой номенклатуры транзис­
торов, имеющейся в каталоге программы. В отличие от программ
Electronics Workbench и Multisim эти характеристики ползгчаются
очень быстро.

1"
■400

-2 0 0

ООО

Входное напряжение (V)

Рис. 11.9. Передаточные характеристики полевого транзистора
Дмапыими

'

в'х'Ш рЖ ф

кшнитди

г - _ г - Г _ р _

250

500

7 50

1000

Входное напряжение (V)

Рис. 11.10. Выходные характеристики полевого транзистора

В.
Исследование работы резистивного транзисторного усилителя
с общим истоком в режиме малого сигнала

4. Исследовать резистивный усилитель (рис. 11.11). Для этого
замкнуть ключ SW2 и разомкнуть ключ SW1. Амплитуду источ­
ника гармонического сигнала установить 200 мВ, частоту 0,2 кГц,
форма сигнала — синусоидальный.
5. Проведём оптимизацию напряжения на затворе VS1, при ко­
тором напряжение на стоке составит половину от напряжения пи-

Рис. 11.11. Схема усилителя на полевом транзисторе

тания стока VS2. Для этого выделяем вольтметр VM2. В окне
Свойства установим Оптгшизация/целъ ( Да) — Подробности
устанавливаем требуемое значение 5 В (рис. 11.12).
8 о л ь т м в т р :У М 2
3

П »р*м гг»

VM
2

Метка
Режим евоалЬылоАл

Вывод

Ошибке

Нет

Опткмкз»4мЩ
«лъ

Д»

кежкм
Злвчвяке

Значение
5

^

5

Рис. 11.12. Установка цели оптимизации

Выделяем источник VS1. В окне Свойства (рис. 11.13) выде­
ляем Подробности, устанавливаем Опт имизация/Объект и пре­
делы от —5 В до О В. Далее выполняем Анализ — Оптимизация —
Обычный поиск — Запуст ит ь и получаем требуемое напряжение
на затворе VS1 = -3 ,8 6 В.

И сточник м п р я ж *н и я :У $ 1

•М

.КЯИ

Сост»

вМ
Подробность. 0птимн»1^*

1.
щего ОУ (рис. 12.16), выбрав по ука­
занию преподавателя операционный
усилитель из панели Полупровод­
ники - Операционный усилитель.
Открыть меню Properties — Тип —
Редактор каталога и выписать ос­
новные параметры усилителя: Уси­
ление разомкнутого цикла, В ход­
ное сопротивление, Выходное со­
противление, Максимальная ско-

рост ъ прогона, Максимальное подаваемое напряж ение,
Макси­
мальный входной ток. Максимальный выходной ток.
2.
Установить в генераторе VG1 амплитуду 1 В и частоту 100 Гц.
Исследовать амплитудно-частотную и фазочастотную характерис­
тики инвертирующего ОУ в режиме Анализ — Анализ перемен­
ного тока — Передаточная характеристика переменного тока
Рис. 12.16. Схема инвертирук^
щего ОУ

Со

Рис. 12.17. АЧХ и ФЧХ усилителя на ОУ

{Стартовая частота 10 Гц, Конечная частота 10 МГц, Thin
свип-сигнала — логарифмический). Результаты исследования по­
казаны на рис. 12.17.
3. Собрать схему инвертирующего сумматора рис. 12.18.
В схеме рис. 12.18 обозначить ключи К1, К2, КЗ, разомкнуть
К2 и подключить к инвертирующему входу ОУ источник напряже­
ния V3, равный 2В. Используя режим Анализ — Анализ постоянноготока — Таблица результ ат ов постоянного тока, найти
и записать напряжение на выходе VF1.
4. Замкнуть ключ К2, подключить к инвертирующему входу
источник напряжения V4, равный 1 В. Измерить и записать напря­
жение на выходе VF1.
R4 30k

5.
Установить в генераторе VG1 амплитуду 1 В, частоту 100
Гц. В генераторе VG2 установить амплитуду 1 В, частоту 1 кГц.
Ключ К2 замкнуть и подключить к входу ОУ генераторы VG1 и
VG2. В режиме Анализ — П ереходной процесс получить графи­
ки входных напряжений и напряжения на выходе VF1 (рис. 12.19).
Объяснить форму выходного напряжения.

В рем я (S )

Рис. 12.19. Графики сигналов в инвертирующем ОУ

6.
Собрать схему неинвертирующего ОУ (рис. 12.20). Устано­
вить в генераторе VG1 синусоидальный сигнал с амплитудой 1 В
и частотой 100 Гц. В режиме Анализ — П ереходной процесс полу­
чить графики сигналов на входе и выходе ОУ (рис. 12.21). Объяс­
нить характер графиков.
R1 10к

Рис. 12.20. Схема неинвертирующего ОУ

7.
Собрать схему вычитающего ОУ (рис. 12.22). Установить
VG1; IV, 100 Hz; VG2: 500 mV, 100 Hz. Провести Анализ — Пе-

I

В р е м я (S)

Рис. 12.21. Графики сигналов в неинвертирующем ОУ
R2 10к
г Л Л Л ----------------------------

R1 10к

-ЛЛЛг0Р2 LM301A
Г-ЛЛЛгR3 10к

Ч VF2

С>
»•
i v 2 12

or

Рис. 12.22. Вычитающий ОУ

Время (S)

^

VI 12

реходной процесс и получить графики сигналов на входе и выходе
ОУ (рис. 12.23). Объяснить характер графиков.
Б. Исследование частотно-зависимых звеньев с операционными
усилителями

8.
Собрать схему дифференциального звена (рис. 12.24). Про­
вести Анализ — Анализ переменного тока — Передаточная ха­
рактеристика переменного тока в диапазоне от 10 Гц до 10 кГц
(рис. 12.25).
R1 Юк

Рис. 12.25. Частотные характеристики дифференцирующего усилителя

9.
Установить в генераторе VG1 сигнал прямоугольной формы
с амплитудой 100 мВ и частотой 50 Гц. В режиме Переходный
процесс исследовать выходной сигнал VF1 (рис. 12.26). Пояснить
форму графиков.

2 0 0 --

0 .0 0 -

\

1

f

1

I
-2,004

-4 00-....................... 1г....................
1000т

0.00

20.00т
Врем я

(S)

3000т

4000т

Рис. 12.26. Входной и выходной сигналы дифференцирующего усилителя

10. Собрать схему интегрирующего звена рис. 12.27.
Провести Анализ — Анализ переменного тока — Переда­
точная характеристика переменного тока в диапазоне от 10 Гц
до 10 кГц (рис. 12.28).
С 2 22П

Рис. 12.27. Схема интегрирующего звена

В соответствии с (12.1) комплексная частотная характеристика
интегрирующего звена
.723
Ri

■’ loR i C2

= 3-.
2 т г / •1Q4 •22 •10-^

f

Амплитудно-частотная характеристика на частоте 4 кГц
723
= 0,18.
4000
Фазочастотная характеристика на всех частотах равна +90°.
Частотные характеристики в логарифмическом масштабе пока­
заны на рис. 12.29.

в*

Ч«сточ(НО
Рис. 12.28. Частотные характеристики интегрирующего звена в линейном
масштабе

Рис. 12.29. Частотные характеристики интегрирующего звена
в логарифмическом масштабе

11. Установить в генераторе VG1 сигнал прямоугольной фор­
мы с амплитудой 100 мВ и частотой 50 Гц. Для заданного ОУ ти­
па LM301A в меню Properties установить Смещ ение входного на­
пряж ения = -ImV. Это смещение компенсирует «уход нуля» ОУ в
интеграторе. Для других типов ОУ требуется подбор напряжения
смещения. В режиме П ереходный процесс исследовать выходной
сигнал VF1 (рис. 12.30). Пояснить форму графиков.
12. Собрать схему активного фильтра нижних частот первого
порядка (рис. 12.31).
Провести Анализ на переменном токе — Передаточная ха­
рактеристика переменного тока в диапазоне от 10 Гц до 10 кГц

Время(S)
Рис. 12.30. Выходной сигнал интегратора
R1 10к

(рис. 12.32).
13. Установить в генераторе VG1 сигнал прямоугольной формы
с амплитудой 100 мВ и частотой 50 Гц. В режиме Переходный
процесс исследовать выходной сигнал VF1 (рис. 12.33). Пояснить
форму графиков.
14. Собрать схему (рис. 12.34) активного фильтра высоких час­
тот.
Исследовать частотные характеристики активного ФВЧ и пояс­
нить их форму (рис. 12.35).
15. Установить в генераторе VG1 сигнал прямоугольной формы
с амплитудой 100 мВ и частотой 50 Гц. В режиме Переходный про­
цесс исследовать выходной сигнал VF1. Пояснить форму графиков
(рис. 12.36).
16. Собрать схему фазовращателя (рис. 12.37). Исследовать

Частота (Нг)

Частота (Hz)

Рис. 12.32. Частотные характеристики активного ФНЧ первого порядка

100 ООт

000 -

■10000т-

-200 00т
ООО

1000т

гОООт

ХООт

4000т

Врем й(8)

Рис. 12.33. Прохождение прямоугольных импульсов через активный ФНЧ
первого порядка

R2 10k

Частота (H z)

Рис. 12.35. Частотные характеристики

е о с т и в н о г о

ФВЧ

частотные характеристики (рис. 12.38). Убедиться в том, что АЧХ
фазовращателя постоянна и равна 1, а ФЧХ изменяется от 0° до
-1 80°.
17.
Собрать схему генератору Вина (рис. 12.39). Установить
значения источников напряжений, показанные на схеме. Для зна-

300 00т -1

iSOOOm-

00 0 -

1

1

-15000т-

-30000т--------- 1
ООО

1000т

, ...... г ■- ' ■1......1
3000т

2000т

4000т

Время (S)

Рис. 12.36. Прохождение прямоугольных импульсов через активный ФВЧ
первого порядка
R1 10к

R2 10к

Рис. 12.37. Фазовращатель

чений установки переменного резистора, равных 50 %, 60 %, 70 %,
80 %, провести Анализ — П ереходной процесс. Установите нуле­
вые начальные условия и время от нуля до 20 мс. Зарегистрируйте
и объяснить диаграммы выходного напряжения (рис. 12.40).
18. Собрать схему ФНЧ второго порядка (рис. 12.41). Провести
Анализ на переменном токе — Передаточная характеристика
на переменном токе в диапазоне от 10 Гц до 10 кГц. Объяснить
вид АЧХ и ФЧХ (рис. 12.42). Сравнить частотные характеристики
ФНЧ первого и второго порядка.
19. Собрать схему ФВЧ второго порядка (рис. 12.43). Провести
Анализ переменного тока — Передаточная характеристика на
переменном токе в диапазоне от 10 Гц до 10 кГц. Объяснить вид
АЧХ и ФЧХ (рис. 12.44). Сравнить частотные характеристики ФВЧ
первого и второго порядка.

Рис. 12.38. Частотные характеристики фазовращателя

Рис. 12.39. Генератор Вина

Время (S)

Рис. 12.40. Колебания в генераторе Вина

R3 10к

Рис. 12.41. Активный ФНЧ второго порядка

Ч И О Т Ч (Н «

Рис. 12.42. АЧХ и ФЧХ активного ФНЧ второго порядка

^V 212

Ч м то тв (Нг)

Рис. 12.44. АЧХ и ФЧХ активного ФВЧ второго порядка

Домашнее задание
1. По экспериментальным данным построить амплитудно-частотные характеристики инвертирующего ОУ и неинвертирующего
ОУ и определить полосу пропускания при слабом сигнале по уровню
- 3 дБ.
2. Рассчитать предельную полосу усиления гармонического сиг­
нала с амплитудой 200 мВ для ОУ со скоростью нарастания
50 мВ/мкс.
3. Для неинвертирующего ОУ с сопротивлением
= 10 кОм
рассчитать сопротивление Е ц , при котором усиление составит 3.
4. Все входы инвертирующего сумматора (см. рис. 12.4) объ­
единены и подключены к напряжению 1 В. Рассчитать выходное
напряжение ОУ.
5. Для вычитающего ОУ найти соотношения сопротивлений,
п р и

к о то р ы х

вы ходной

си гн а л

{/ в ы х

=

-

2 ? 7 i.

6. Вывести теоретические выражения для комплексных коэф­
фициентов передачи, амплитудно-частотных и фазочастотных ха­
рактеристик звеньев рис. 12.5-12.9.
7. Рассчитать и построить теоретические АЧХ и ФЧХ звеньев
рис. 12.6-12.9.
8. Построить экспериментальные графики АЧХ и ФЧХ звень­
ев рис. 12.6-12.9 и сравнить с соответствующими теоретическими
зависимостями.
9. Для активных фильтров второго порядка по эксперимен­
тальным АЧХ найти частоту среза.
10. По формулам АЧХ определить, какие элементы определяют
частоту среза активных ФНЧ и ФВЧ второго порядка.

13

АВТО ГЕНЕРАТО РЫ
ГАРМ ОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

13.1. Теоретическое введение
Автогенератором называют устройство, которое преобразует
энергию источника постоянного напряжения или тока в энергию
гармонических колебаний. Автогенератор гармонических колеба­
ний является нелинейным устройством с положительной обратной
связью и содержит, как правило, колебательный контур. Обобщен­
ная структурная схема автогенератора с внешней обратной связью
показана на рис. 13.1. Она содержит
усилитель с комплексным коэффици­
ентом усиления К{ззи=(ср)

+

f^ 3 H = (m in )

---------------- 2----------------

установить это напряжение на затворе транзистора.
Провести исследование автогенератора по пп. 4-7 для значений
взаимной индуктивности М из табл. 13.2. Результаты записать в
табл. 13.2.
И

Исследование зависимости параметров автогенератора от напря­
жения на стоке

10.
Установить на затворе транзистора напряжение {/зи=(ср)Значение взаимной индуктивности установить равным 1 мГн.
Провести исследования зависимости параметров автогенерато-

Таблица 13.2
El = 10 В, {7зи= = t^3 H=(cp)i L\ = L 2 = 10 мГн
М , мГн

2

0,4

0,6

0,8

1

0,2

в

и з и ~ .м В
1с, мА
г с~ , мкА
Т, МКС
/ . кГц
tycTi МС

к%
^ = •изи~«к~
М = /ЗЬк
5ра6 = С к Я ;/М

ра ОТ ПОСТОЯННОГО напряжения на стоке Uc= Для значений, указан­
ных в табл. 13.3, Результаты записать в табл. 13.3.
11. Рассчитать в табл. 13.3 значения 1с, /3, М , 5рабТаблица 13.3
El = 10 В, С/зи= = t/ 3 H=(cp). Li = L 2 = 10 мГн, М = 1 мГн
Uc=, В

10

8

6

4

2

0

Uk~, в

изи~1 “ В
/с, мА
ic~, мкА
Т, МКС
/ . кГц
tycT, мс

к%
/3= изи~“к~
5раб = Скя;/м
Домашнее задание
1. И сп ол ьзуя п ар ам етр ы к он тур а , р а ссч и та ть его резон ан сн ую
ч а ст о т у /о = 2пх/ЬкС^ ^ сравн и ть с эксперим ен тальны м и значени­
ям и, определенн ы м и в л а б о р а то р н о й работе. О б ъ я сн и ть отли чие
ч а ст о т ы колебЕ1Ний о т резонансной.

2. Рассчитать с учетом выходного сопротивления транзистора
Двых ^ 30 кОм полное сопротивление потерь в контуре R'^ =
+
Ддоб> где Ддоб = .^'к/С'кДвых-

3. Рассчитать эквивалентное резонансное сопротивление конту­
ра с учетом выходного сопротивления транзистора йвых ~ 30 кОм
по формуле Дэк =
. На частоте параллельного резонанса со­
противление контура активно и равно эквивалентному резонансно­
му сопротивлению.
4. По данным табл. 13.1 рассчитать и занести в табл. 13.3 зна­
чения /3 = изи~/Ык~. М = /3Lk, 5ра6 = C^R'JM и
= Uk ~ /ДэкПостроить графики зависимостей от напряжения затвор-исток 17зи=
для Uk
изи
tycT) / , К % , 13, М , 5раб.
5. По данным табл. 13.2 построить графики зависимостей от
взаимной индуктивности М для Uk~, изи~, tycr, / , К % , /3, М , 5ра66. По данным табл. 13.3 построить графики зависимостей от
напряжения питания стока Е 2 для Uk~, изи~, -^ci
М , 5раб'
7. На основании ползгченных данных подтвердить выполнение
условия баланса амплитуд и условия баланса фаз в автогенераторе.
Сформулировать выводы по работе в целом.

14

Ц И Ф РО ВЫ Е М И К РО СХЕМ Ы

14.1. Краткие теоретические сведения.
Цифровые логические элементы
Цифровые логические элементы, выполненные на интеграль­
ных микросхемах (ИМС), предназначены для преобразования и об­
работки дискретных сигналов и выполняют основные логические
функции, представленные в табл. 14.1.
В табл. 14.1 использованы обозначения: X — отрицание значе­
ния X ] X i •Х 2 — логическое умножение (конъюнкция); Хх + Х 2 =
X i V Х 2 — логическое сложение (дизъюнкция).
Наибольшее применение получили серии логических ИМС, вы­
полненные по ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ
(эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплементарная МОПлогика) технологиям.
В ИМС, выполненных по тех­
нологии ТТЛ, в качестве базового
элемента используется многоэмитЛ,
Л,
терный транзистор. Упрощенная
Y=Xr
О
схема логического элемента И-НЕ
с многоэмиттерным транзистором х ,оVT2
VT1 приведена на рис. 14.1. Ес­
ли хотя бы на один эмиттер VT1
подан низкий уровень, VT1 будет
Р и с . 1 4 .1 . Упрощенная схема
открыт, а второй Т р Е 1 Н З И С Т 0 р VT2, логического элемента 2И-НЕ (ТТЛ)
работающий инвертором сигнала и выполняющий функцию НЕ, бу­
дет закрыт. На выходе базового элемента будет высокий уровень
сигнала. Для того чтобы напряжение на выходе имело низкий уро­
вень, на все эмиттеры VT1 надо подать высокий уровень. Таким
образом, реализуется функция И-НЕ.
В ИМС, выполненных по технологии КМОП, в качестве базо­
вого элемента используются ключевые схемы, построенные на ком­
плементарных МОП-транзисторах. На рис. 14.2 приведена схема
логического элемента 2И-НЕ, выполненного по технологии КМОП.
Схема состоит их двух групп ключей на полевых транзисторах VT1,

г

Таблица 14.1
Элемент

Обозначение

НБ (отрицание)

ЛН

Выполняемая функция и схема

X

I

&
И (логическое умножение)

ЛИ

1

ИЛИ (логическое
сложение)

ЛЛ

= Z .v Z j

&
И-НЕ (логическое
умножение с отрицанием)

ЛА

1

ИЛИ-НВ (логическое
сложение с отрицанием)

ЛЕ

У = Х , + Х2
X,

^1

Y = X r X 2 + X^-X^ =

ЛП

Исключающее ИЛИ

=1

^2

= ^ 10^2

VT3 и VT2, VT4. Каждая груп­
па
згаравляется одним сигналом
П,
-о У= Af, •^2 X i или Х 2 - При подаче сигналов
X i = Xq = 1 ключи на транзис­
VT4
Оторах VT1, VT2 размыкаются, а
VT3
ключи на транзисторах VT3, VT4
замыкаются. В результате на вы­
-О
ходе будет сигнал низкого уровня
Рис. 14.2. Упрощенная схема логи­
У = Xi •Х2ческого элемента 2И-НВ (КМОП)
Применение полевых транзис­
торов с изолированным затвором обеспечивает большое входное со-

VT1
П

VT2

противление микросхем КМОП. Однако микросхемы КМОП чувст­
вительны к статическому электричеству и требуют специальной за­
щиты. Питание таких ИМС производится от источника напряжения
-1-5...4-15 В.
Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания.
Уровень логической единицы равен примерно 0,8Емах, а уровень ло­
гического нуля составляет от 0,3 до 2,5 В.

Мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексором называют функциональный узел, который
обеспечивает передачу цифровой информации, поступающей по не­
скольким входным линиям связи на одну выходную линию. Муль­
типлексор можно представить в виде коммутатора, управляемого
входной логической схемой. Входные логические сигналы X i по­
ступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на
выход Y . На вход логической схемы поступают адресные сигналы
Ak, определяющие, какой входной сигнал в данный момент переда­
ются на выход. Некоторые мультиплексоры могут иметь выход с
тремя состояниями: два состояния О и 1 и третье состояние — от­
ключенный выход (выходное сопротивление равно бесконечности).
На рис. 14.3 показана схема мультиплексора (4-^1), выполнен­
ная на элементах И и ИЛИ. Работа мультиплексора отображается
таблицей истинности 14.2.
Таблица 14.2

Ао
0
0
1
1

Ai
0
1
0
1

у
Хо
Хх
Х2
Хз

Используя таблицу истинности, запишем выражение для вы­
ходной функции мультиплексора:
У = XoiAoA i) + X iiA o A i) + X2{A oA i) + X^{AoAi).

Графическое изображение мультиплексора (8-^1) показано на
рис. 14.4. Входами являются выводы микросхемы D 0 - D 7 , выходами
Q yiQ, адресные входы A q ,A i,A 2 , вход разрешения работы Е.
Демультиплексор (DMX) выполняет преобразование, обратное
мультиплексированию: входной сигнал X поступает на вход демуль­
типлексора и передается на выходы Yi,Y 2 ,
Адресные сигналы
Л о,..., Л* имеют такое же значение, как и у мультиплексора. Графи­
ческое изображение демультиплексора (1—>4) показано на рис. 14.5.

Рис. 14.3. Мультиплексор (4-)-1) на элементах И-НЕ

На схеме обозначены: D — информационный вход, Ао,А\ — адрес­
ные входы, Е — вход разрешения, Qo, Qo, ■■■, Q3, -4)

Дешифраторы
Дешифратором называют преобразователь двоичного п-разрядного кода в унитарный 2"-разрядный код, все разряды которого за
исключением одного равны нулю. Дешифраторы бывают полные и
неполные. Для полного дешифратора выполняется условие iV = 2",
где п — число входов, N — число выходов. В неполных дешифра­
торах имеется п входов, но выходов 7V < 2".
На рис. 14.6 показана схема дешиф­
DC 0
Y,
ратора 3x8, преобразующего двоичный
1
Y,
трехразрядный код в унитарный восьми­
1
^Г
2 ----- Y,
разрядный, в котором, например, входное
2
3 ----- 13
^2
двоичное число 100 соответствует выход­
4 ------ Y,
3
ному коду 00010000.
5 ------ Y,
В цифровой технике применяют так­
6 ------ Ye
же преобразователи кодов для управле­
7 ------ Yj
ния сегментными и матричными индика­
торами, шифраторы, преобразуюпще, на­
Рис. 14.6. Условное
графическое изображе­
пример, 8-разрядный единичный код в
ние дешифратора 3x8
двоичный код, и другие комбинационные
устройства, построенные на цифровых логических элементах. Осо­
бенностью комбинационных устройств является то, что их выход­
ные сигналы однозначно определяются только действующей в настояпщй момент на входе комбинацией переменных и не зависят от
значений переменных, действовавших на входе ранее.

Триггеры
Триггером называется устройство, способное формировать два
устойчивых значения выходного сигнала и скачкообразно изменять
эти значения под действием внешнего управляющего сигнала.
Триггеры относятся к цифровым схемам последовательного ти­
па. Состояние выхода последовательной схемы (цифрового автома­
та) зависит от текущего состояния входа X и от внутреннего состо­
яния схемы Q: Y = F (X ,Q ).
Таким образом, триггер является хранителем предшествующей
и источником текущей информации. Триггер называют бистабиль­
ной схемой, он является элементарной ячейкой памяти. Два устой­
чивых состояния триггера обозначаются: Q = 1 и Q = 0.
Основные типы триггеров в интегральном исполнении получи­
ли следуюпще названия: Д5-триггер, JK-TpHrrep, D -триггер, Ттриггер.

Асинхронный Л5-триггер содержит одну ячейку памяти, может
быть выполнен на двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 14.7) и имеет два
прямых информационных входа:
R — раздельный вход сброса триггера {Q = 0);
S — раздельный вход установки триггера {Q = 1).
Триггер называется асинхронным, если переключение его про­
исходит сразу при изменении информационных сигналов. Работа
асинхронного Л5-триггера на элементах ИЛИ-НЕ отображается таб­
лицей переходов 14.3.
Таблица 14.3

R

T

S

Q
Q

б)

R

s

Qn+1

0
0
1
1

0
1
0
1

Qn

1
0
-

Рис. 14.7. Асинх­
ронный Л5-триггер (а)
и его условное графи­
ческое изображение (б)

Функциональное состояние Д5-триггера определяется уравне­
нием
Q n + i = ^ S n + R nQ n,

где Qn и Q n + i — предыдущее и новое состояние триггера соответ­
ственно.
В синхронных триггерах имеется синхронизируюпщй вход С и
переключение происходит при поступлении на этот вход синхронизирзоощего импульса. Причем момент переключения может соот­
ветствовать переднему или заднему фронту синхроимпульса.
£)-триггер (рис. 14.8) имеет информацион­
T Q
ный вход D (data — данные). Информация со
входа D заносится в триггер по положительному
D
перепаду на счетном входе С триггера. Помимо
С
счетного С и информационного D входов, триг­
Q
гер имеет асинхронные установочные Д и 5 вхо­
ды. Установочные входы приоритетны. Они ус­
танавливают триггер независимо от сигналов на
входах С к D. Уравнение D -триггера имеет вид

Qn+1 — [CQn *+ CD f S']/?.

^/С-триггер (рис. 14.9) является наиболее
т Q
универсальным, так как на его основе могут
быть построены любые из рассмотренных выше
■J
триггеров. Ж -триггер имеет: входы J -щК уста­
■с
■к
новки триггера в состояния (5 = 1 и Q = О со­
ответственно; синхронизирующий вход С] раз­
Q
г
дельный вход S асинхронной установки триггера
Р ис. 14.9.
{Q = 1); раздельный вход R асинхронного сброса
Ж -триггер
триггера (Q = 0). В схеме (рис. 14.10) входы S
и R имеют низкий активный уровень. Причем входы S 'Я R имеют
приоритетное значение.
Функциональное состояние 7/С-триггера определяется уравнением
Qn+1 = {C {J Q n + K Q n ) + C Q n

+ S]R.

Счетчики импульсов и регистры
Счетчиком называют цифровое устройство, предназначенное
для подсчета числа импульсов. С поступлением каждого импуль­
са на вход С счетчик меняет свое состояние на единицу. Счетчик
можно реализовать на нескольких триггерах, при этом состояние
счетчика будет определяться состоянием его триггеров. В суммиру­
ющих счетчиках каждый входной импульс увеличивает его состоя­
ние на единицу. В вычитающих счетчиках состояние уменьшается
на единицу каждым входным импульсом.
Наиболее простыми являются двоичные счетчики, в которых
состояние счетчика определяется двоичным кодом на его выходах.
Схема асинхронного четырехразрядного суммирующего счетчика на
D -триггерах показана на рис. 14.10.
Qi

о

Т

.Cl

Q

а
о

%

'S

Т

Q

.Л'

D

D

D

С

С

С

'Л

>R

G<

'Л

Т

Q

О

>s

Т

Q

D
С

Q'

R
Cj—С4 — счетные импульсы;

Оа

R - установка нуля

Рис. 14.10. Асинхронный счетчик на О-триггерах

'R

Ф

В начале счета все триггеры устанавливаются в нуль и с входов
R z S снимаются активные уровни. На счетный вход Ci перво­
го триггера поступают счетные импульсы. Каждый импульс изме­
няет состояние триггеров так, что на выходах Q i~Qi формируется
двоичный код, соответствующий числу счетных импульсов. Длина
списка разрешенных состояний счетчика называется модулем сче­
та Кеч- Число разрешенных состояний определяется количеством
триггеров. Для счетчика (см. рис. 14.10) Кеч = 2^ = 16. После
16 импульсов все триггеры обнуляются и начинается новый цикл
счета. Счетчики можно использовать в качестве делителей частоты
с коэффициентом деления Кеч- Введением дополнительных обрат­
ных связей между триггерами можно произвольно изменять модуль
счета в сторону уменьшения. Так, введение в обратные связи двух
элементов 2И-НЕ устанавливает в счетчике (см. рис. 14.10) модуль
счета равный 9 (рис. 14.11).
Gi

о

Qi

Q3

о

т
.с,

Q4

о

Q

Q

£
R

Q

&

Рис. 14.11. Асинхронный счетчик с модулем счета А'сч = 9

В цифровых устройствах применяют разнообразные счетчики.
Они классифицируются следуюпщм образом:
• по модулю счета: двоичные, двоично-десятичные (декадные)
или с другим основанием счета; с произвольным постоянным
модулем; с переменным модулем.
• по направлению счета: суммируюпще; вычитаюпще; реверсив­
ные.
• по способу организации внутренних связей: с последователь­
ным переносом (триггеры переключаются последовательно); с
параллельным переносом (триггеры переключаются синхронно

по фронту счетных импульсов); с комбинированным переносом;
кольцевые (на основе сдвиговых регистров).
Регистром называется устройство цифровой техники, предна­
значенное для записи, хранения и (или) сдвига информации, пред­
ставленной в виде многоразрядного двоичного кода.
По способу приема информации регистры подразделяют на:
• последовательные (сдвигаюпц1е), в которых информация запи­
сывается и считывается только в последовательной форме;
• параллельные (статические), в которых информация записыва­
ется и считывается только в параллельной форме;
• последовательно-параллельные, в которых информация запи­
сывается или считывается как в последовательной, так и в па­
раллельной формах.
Простейшие регистры выполняют на триггерах. Схема после­
довательного сдвигающего регистра на Ж -триггерах показана на
рис. 14.12.
Qi
О

D лп-п.

.5
J
С
К
>R

Т

>s

т

Q

J

Q

Q'

с
к

Q'

Оз

а

О

О

>s Т
J
Q
с
к
>R

Рис. 14.12. Четырехразрядный сдвигаюпщй регистр с последовательным
вводом

Сдвигаюпщй регистр работает следуюпщм образом. В начале
работы управляющими сигналами S is. R все триггеры устанавлива­
ются в нулевое состояние, активный уровень сигналов S и R сни­
мается, на вход D (данные) подаётся первый импульс цифрового
кода (например, единица кода 1101 на рис. 14.12). С первым так­
товым импульсом, поступающим на вход С, в первый триггер бу­
дет записана единица младшего разряда. Со следующим тактовым
импульсом эта единица будет записана во второй триггер и окажет­
ся на его выходе. Одновременно в первый триггер поступит нуль
(следуюыщй разряд кода). После четырёх тактовых импульсов код
на выходах Q^-Qi будет соответствовать входному коду и может

быть считан внешним устройством. Таким образом, регистр преоб­
разует последовательный код в параллельный. В современных мик­
роэлектронных устройствах отображения и регистрахщи информа­
ции количество параллельных выходов регистров может достигать
нескольких тысяч.

14.2. Вопросы для самопроверки и подготовки
к лабораторной работе
1. Перечислите основные цифровые элементы и поясните вы­
полняемые ими логические операции.
2. Поясните работу базового логического элемента интеграль­
ных микросхем ТТЛ.
3. Поясните работу базового логического элемента микросхем
КМОП.
4. Какие хщфровые устройства называются комбинационными
и в чем принцип их работы?
5. Каковы назначение и структурная схема мультиплексора и
демультиплексора?
6. Каковы назначение и принцип работы дешифратора?
7. Назначение и принцип работы цифровых триггеров.
8. Поясните по таблице переходов и схеме принцип работы асин­
хронного i?S-Tpnrrepa на элементах ИЛИ-НЕ.
9. В чем отличие синхронных триггеров отасинхронных?
10. Поясните принцип работы £)-триггера и составьте для него
таблицу переходов.
11. Поясните принцип работы JK- триггера и составьте для
него таблицу переходов.
12. Каковы назначение и классификация цифровых счетчиков?
13. Поясните принцип работы асинхронного счетчика на Dтриггерах.
14. Что называют модулем счета и как его можно изменить в
цифровых счетчиках?
15. Каковы назначение и классификация регистров?
16. Поясните принцип работы последовательного сдвигающего
регистра на JK-триггерах.

14.3. Лабораторная работа Ns 14. Исследование
цифровых микросхем
Цель работы — изучение основных классов цифровых микро­
схем и методов их исследования с использованием программы
TINACloud.

Лабораторное задание
А.
росхем

Исследование логических элементов и комбинационных мик­

1.
Логические элементы обозначены по европейскому стандарту
DIN и имеют графические изображения, показанные в табл. 14.4.
Таблица 14.4

2.
Собрать схему компьютерного моделирования логических
элементов, показанную на рис. 14.13. Элемент 2И находится во
вкладке Затворы. На вкладке Источники выбрать цифровые ис­
точники высокого (Н) и низкого (L) уровня.

Выбрать в режиме интерактивного ана­
Таблица 14.5
лиза — DC. Изменяя положения ключей [1]
А
В
Q
и [2], создавать на входах А и В состояния в
0
0
соответствии с табл. 14.5. Состояние на вы­
0
1
1
0
ходе Q записать в таблицу истинности 14.5.
1
1
После окончания опытов нажать Off.
3. Выполнить аналогичные исследования и заполнить таблицы
истинности для других логических элементов из табл. 14.4.
4. Собрать комбинационную схему с двумя логическими эле­
ментами, соединёнными в соответствии с рис. 14.14. Для каждой
бригады логические элементы DD1 и DD2 заданы в табл. 14.6.

Рис. 14.14. Комбинационная схема с двумя логическими элементами
Таблица 14.6
6

Вар.№

8

DD1

2ИЛИ-НЕ

2И

2И

2И-НБ

2И-НЕ

2ИЛИ

2ИЛИ

2ИЛИ-НЕ

DD2

2ИЛИ

2ИЛИ

2И-

2ИЛИ

2ИЛИ

2И-НБ

2И

2И-НБ

5. Создавая все возможные комбинации
входных сигналов, в режиме интерактивного
В
А
с
Q
анализа — DC регистрировать выходной сиг­
0
0
0
нал и заполнить таблицу истинности комби­
0
1
0
национной схемы (табл. 14.7). Комбинации
0
0
1
1
1
0
входных сигналов соответствует значениям
1
0
0
трёхзначного двоичного кода.
1
0
1
1
1
0
6. Исследовать дешифратор на микро­
1
1
1
схеме 74159 (отечественный К155ИДЗ). Схе­
ма эксперимента показана на рис. 14.15. Дешифратор имеет адрес­
ные входы А, В, С, D, два входа разрешения G1, G2 и шестнад­
цать выходов 0-15. На адресные входы подается код в диапазоне
Таблица 14.7

0000 - 1111 .

Создавая все возможные комбинации входных сигналов, в ре­
жиме интерактивного анализа (DC) регистрировать выходной сиг­
нал и заполнить таблицу истинности комбинационной схемы
(табл. 14.8) для значений от 0000 до 1111. Комбинации входных сиг­
налов соответствует значениям четырёхзначного двоичного
кода.

U1 74159
1G

0

2G

1

К

А

2

К

VF2

В

3

К

VF3

С

4

К

VF4

D

f,

К

VF5

6

к: VF6

. VFO
VF1

7
8
9
10

1-с VF11
12

к

13

1-С V F13

15

VF12

К

VF14

К!

VF15

Рис. 14.15. Схема исследования дешифратора
Таблица 14.8
ABCD

Q0

0000

0

Q1

Q2

Q3

1

1

1

Q4

Q5

Q6

Q7

Q14

Q15

1

1

1

1

1

1

1111

Б. Исследование триггерных схем

8. Собрать схему RS-триггера на логических элементах 2ИЛИНЕ (рис. 14.16).
Ко входам триггера подключаются High-Low
Switches.
9. Для исследования цифровых схем в интерактивном режи­
ме нажать на кнопку Digital. Переключая сигналы на входах R и
R
S W -H L 1
U1 S N 7 4 0 2

и -

>1
о

S W -H L 2

I

U2 SN 7402

>1

NQ

S в соответствии с таблицей переходов RS-триггера 14.9, записать
полученные состояния выходных сигналов.
Таблица 14.9
R

S

Qn

Qn+i

-

0
1
0

0

0

0
1
0

-

Примечание: знаком ( —) обозначены безразличные значения входных сигна­
лов.

10.
Собрать схему D-триггера (рис. 14.17). Использовать мо­
дель триггера D-триггера из панели Триггеры.

И -^
о
U1 SN 7474

0 ^
Ш-

D 10- Q

>

с

NQ

|0 Q

Н-

L2
Рис. 14.17. Схема D-триггера

11.
Запустить интерактивный режим Digital. Поставить ключ
Е в верхнее положение. Изменяя сигналы на входах R, S, D и С в
соответствии с таблицей переходов 14.10, записать полученные со­
стояния выходных сигналов.
Таблица 14.10

я
1
0
1
1

5
0
1
1
1

D

С

-

-

-

-

0
1

Qn

0

Qn + 1

1

J
J

Если входы И находятся в неактивном состоянии (Д = 5 = 1),
то по переднему фронту тактовых импульсов на входе С происходит
запись в триггер сигнала с входа данных D.

12. Переключить ключ Е в нижнее положение. При этом на
вход .D-триггера поступает инверсный сигнал с выхода. Установить
R = S = 1. Переключая ключ С, убедиться в том, что каждый
тактовый импульс передним фронтом переключает триггер в про­
тивоположное состояние. При этом £)-триггер выполняет деление
тактовых импульсов на 2. Такой режим работы D -триггера назы­
вают счетным.
13. Собрать схему JK-триггера (рис. 14.18).
L1

о

U1 SN7476

Q

J ID- Q

-■>

NQ

Г

К IU Q

L2

Рис. 14.18. Схема JK-триггера

Изменяя положение ключей, заполнить таблицу переходов JKтриггера 14.11.
Таблица 14.11
R

S

J

к

с

1
0

0
1

-

-

-

-

-

_

1

1

1

0

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

Qn

Qn+1

Обратите внимание на то, что при R = S = J = K = l задний
фронт каждого тактового импульса переключает JK-триггер в про­
тивоположное состояние и триггер работает в счетном режиме. Это
основное отличие JK-триггера от RS-триггера.

В. Исследование двоичного счетчика
14.
Собрать схему двоичного счетчика на D-триггерах, приве­
денную на рис. 14.19. На счетный вход можно подавать импульсы
от ключа С.

Q1

02

Q3

L1 0-»

H-VЕ0Ш-"

Oia о

>

D 10. Q

>

Q

L_l^

U1 SN7474

«К С1

—

л я

1^

U2 SN7474

и з SN7474

R
10п

’ CDРис. 14.19. Схема двоичного счетчика на D -триггерах

Запустить интерактивный режим Digital. Переключить ключ
С в верхнее положение. Ключами 5 и Я установить нулевые состоя­
ния на всех выходах триггеров. После этого переключить ключи S и
R к уровню Н. Многократно переключать ключ С, формируя вход­
ные счетные импульсы, регистрировать состояние выходов тригге­
ров. Заполнить табл. 14.12.
Таблица 14.12
N имп.

0

Q1

Q2

Q3

Q4

0

0

0

0

15

Проверить соответствие двоичных кодов на выходах триггеров
номеру счетных импульсов.
16.
Ключом G соединить счетный вход счетчика с источником
импульсов Pulse source. Установить Время нарастания/спада =
3m n e i*)>
П «ум агж «псю

hV j«'«S

Дабамткмоем*
’v

1m

И с т о ч н и к и м п у л ь с а .и б
*0

Во.£ОЧ*й

V

:m
Уро#»ик»1
bU>M.5»n

урс«»ие

Ш
2

М««ми*гЗ

МИ!-Л*
Jm
Bft'Cy
in

урч—р*чг
OK

От»«п.1Ч

МоМитМ

5^
OK

V

, ^ддгуткпклед
'ti.

= Юп, Выходное напряж ение = 5. Открыть окно Паттерн и
установить уровни и моменты переключения импульсов в последо­
вательности 1 мс, 2 мс и т.д. до 16 мс (рис. 14.20). Этот шаблон
импульсной последовательности можно сохранять и загружать из
памяти компьютера.
Выбрать режим Цифровой, установить Время окончания = 40
m и получить временные диаграммы входных импульсов и сигналов
на выходах счетчика (рис. 14.21).
••йп1вяя{ ОврЛтт*»

С1
Q1
L
Н-1

Q2

Q3
Н-

04
iOOOm

2000т

4000т

Время(S)

Рис. 14.21. Временные диаграммы двоичного счетчика

Домашнее задание
1. Нарисовать все схемы исследованных логических элементов.
Записать логические выражения, таблицы истинности, полученные
экспериментально, и проверить их взаимное соответствие.
2. Нарисовать исследованную в пп. 4 и 5 комбинационную схему,
записать табл. истинности и логическое выражение.
3. Описать принцип работы и методику исследования дешиф­
ратора на микросхеме 74159.
4. Нарисовать все исследованные схемы триггеров, объяснить
назначение входов, принцип работы, составить логические уравне­
ния функционирования, построить экспериментальные таблицы пе­
реходов и проверить их соответствие уравнениям функционирова­
ния.
5. Нарисовать схему исследованного двоичного счетчика, опи­
сать принцип работы и методику исследования, построить осцилло­
граммы выходных сигналов.

Литература

1. Алехин в.А . Электротехника и электроника. Компьютерный
лабораторный практикум в программной среде TINA-8. Учебное
пособие. — М.: Горячая линия — Телеком, 2014. — 208 с.
2. Алехин В.А. Электротехника. Кзфс лекций с использованием
компьютерного моделирования в среде TINA. Электронное издание.
Номер гос. регистрации 0321401007. 2014. — 300 с. http://www.toemirea.ru/d isc.html
3. Алехин В.А. Электроника и схемотехника. Курс лекций с
использованием моделирования в среде TINA. — М: МИРЭА, 2016. —
338 с. http://www.toe-mirea.ru/disc.html
4. TINACloud. URL: http://www.tinacloud.com
5. Алехин В.А., Колтаи М. Применение облачной среды схемо­
технического проектирования TINACloud в образовании / / Между­
народная научно-практическая конференция «Наука и образование
в жизни современного общества», сборник научных трудов. — Там­
бов, 31 марта 2016.
6. Алехин В.А., Бебик А.О., Бондарев Д.А., Волосных Г.В., Са­
дов К.С. Создание и испытание компьютерного лабораторного прак­
тикума по электротехнике в облачной среде TINACloud / / Между­
народная научно-практическая конференция «Наука и образование
в жизни современного общества», сборник научных трудов. — Там­
бов, 31 марта 2016.
7. Алехин В.А., Бебик А.О., Бондарев Д. А., Волосных Г.В.,
Салов К.С. Применение облачной среды TINACloud для моделиро­
вания электронных схем / / Международная научно-практическая
конференция «Наука и образование в жизни современного общест­
ва», сборник научных трудов. — Тамбов, 31 марта 2016.
8. Алехин В.А. Расчёт электрических цепей в MATHCAD. —
М.: МИРЭА, 2006. - 48 с.

Содерж ание

Введение...................................................................................
В.1. Облачная технология TINACloud в электротехническом
образовании..............................................................................
В.2. Указания по выполнению и защите лабораторных работ
В.З. Основные сведения о программе TINACloud...................
В.3.1. Общая характеристика ср ед ы ..............................
В.3.2. Требования к аппаратным и программным сред­
ствам для работы с TIN A C loud.......................................
В.3.3. Интерфейс программы...........................................
В.3.4. Размещение компонентов.......................................
В.3.5. Соединение компонентов.......................................
В.3.6. Входы и выходы.......................................................
В.3.7. Основные режимы работы TIN ACloud..............

7
8
10
11
12
12

Часть I. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.....................................................

15

Г л а в а !.

Линейные электрические цепи.........................................

1.1. Элементы, структура и основные законы электрических
цепей..........................................................................................
1.2. Расчёт цепи методом контурных токов (М К Т )................
1.3. Расчёт методом узловых напряжений (М У Н )..................
1.4. Делитель напряжения...........................................................
1.5. Делитель т о к о в .......................................................................
1.6. Баланс мощ ности...................................................................
1.7. Метод эквивалентного генератора, согласование нагруз­
ки с генератором.....................................................................
1.8. Вопросы для самопроверки и задания для подготовки к
лабораторной работе..............................................................
1.9. Лабораторная работа № 1. Исследование линейной элек­
трической цепи постоянного тока .....................................
Глава 2. Электрические цепи переменного тока...........................
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.

Символический метод расчёта............................................
Мощность в цепи гармонического т о к а ............................
Расчёт цепи методом двух узл ов.........................................
Расчёт спектра Ф урье............................................................
Вопросы для самопроверки и подготовки.........................

3
3
5
6
6

15
15
17
18
20
21
21
21
26
27
31
31
32
33
39
41

2.6. Лабораторная работа К» 2. Исследование цепей перемен­
ного тока .................................................................................
Глава 3. Электрические цепи с магнитно-связанными катушка­
ми ..........................................................................................
3.1. Краткие теоретические сведения и расчёт неразветвленных цепей ................................................................................
3.2. Составление уравнений для сложных цепей с магнитны­
ми связями ..............................................................................
3.3. Развязка магнитно-связанных цепей ................................
3.4. Линейный трансформатор ..................................................
3.5. Энергетические соотношения в трансформаторе ...........
3.6. Определение параметров магнитно-связанных катушек
3.7. Измерение сопротивления магнитной связи.....................
3.8. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе ................................................................................
3.9. Лабораторная работа № 3. Исследование электрических
цепей, содержапщх магнитно-связанные катуш ки
Глава 4- Линейные пассивные четырёхполюсники .....................
4.1. Краткие теоретические сведения .......................................
4.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе ................................................................................
4.3. Лабораторная работа № 4. Исследование четырёхполюс­
ника ..........................................................................................
Глава 5. Переходные процессы в линейных электрических цепях
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.

Законы коммутации ..............................................................
Классический метод расчёта переходных процессов . . . .
Операторный метод расчёта переходных процессов
Включение гармонической ЭДС в Н Ь С -ц еи ь..................
Дифференцирующие и интегрируюпще цепи ................
Переходные и импульсные характеристики ...................
Вопросы для самопроверки и задания для подготовки к
лабораторной работе ............................................................
5.8. Лабораторная работа Jf»5 Исследование переходных про­
цессов в цепях с сосредоточенными параметрами R, L, С
Глава 6. Трёхфазные электрические ц еп и ...................................
6.1. Краткие теоретические сведения и методы расчёта ___
6.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе ................................................................................
6.3. Лабораторная работа № 6. Исследование трёхфазных
электрических цепей ............................................................

42
49
49
51
53
55
57
58
58
59
59
63
63
67
68
73
73
75
78
82
84
85
86
86
92
92
94
95

Часть II. ЭЛЕКТРОНИКА..............................................................
Глава 7.

100

Исследование полупроводниковых диодов, стабилит­
ронов и тиристоров............................................................ 100

7.1. Теоретические сведения ....................................................... 100
7.2. Лабораторная работа
7. Исследование полупроводни­
ковых диодов, стабилитронов и тиристоров..................... 104
Глава 8. Нелинейные цепи постоянного тока................................ 112
8.1. Краткие теоретические сведения и методы расчёта нели­
нейных цепей постоянного тока .........................................
8.2. Вопросы для самопроверки и задания для подготовки к
лабораторной работе..............................................................
8.3. Лабораторная работа
8. Исследование нелинейных
электрических цепей постоянного т о к а ............................
Глава 9. Выпрямители на полупроводниковых д и од а х ..............
9.1. Краткое теоретическое введение. Выпрямление пере­
менного тока ..........................................................................
9.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе ................................................................................
9.3. Лабораторная работа № 9. Исследование вьшрямителей
на полупроводниковых диодах............................................
Глава 10. Исследование характеристик биполярного транзисто­
ра и усилителя на биполярном транзисторе................

112
116
116
122
122
126
126
132

10.1. Теоретические сведения .......................................................
10.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе.................................................................................
10.3. Лабораторная работа №10 Исследование характеристик
биполярного транзистора и усилителя на биполярном
транзисторе ............................................................................
Глава 11. Исследование характеристик полевого транзистора и
усилителя на полевом транзисторе ..............................

132

11.1. Теоретическое введение .......................................................
11.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной р а б о т е ................................................................................
11.3. Лабораторная работа №11. Исследование характеристик
полевого транзистора и усилителей на полевом транзис­
торе ..........................................................................................
Глава 12. Электрические цепи с операционными усилителями .

147

137

138
147

152

153
162

12.1. Теоретическое введение Операционные усилители в це­
пях постоянного и переменного тока ................................ 162

12.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе ............................................................................... 167
12.3. Лабораторная работа № 12. Электрические цепи с опе­
рационными усилителями..................................................... 168
Глава 13. Автогенераторы гармонических колебаний .................. 182
13.1. Теоретическое введение ...................................................... 182
13.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе ............................................................................... 188
13.3. Лабораторная работа № 13. Исследование автогенерато­
ра гармонических колебаний............................................... 189
Глава

14- Цифровые микросхемы.......................................................... 195

14.1. Краткие теоретические сведения. Цифровые логические
элементы...................................................................................
14.2. Вопросы для самопроверки и подготовки к лаборатор­
ной работе.................................................................................
14.3. Лабораторная работа № 14. Исследование цифровых
микросхем.................................................................................
Литература...............................................................................

195
204
204
212

Алехин Владимир Александрович - доктор
технических наук, профессор кафедры вычислительной
техники Московского технологического университета
(МИРЗА). Почетный работник высшего профессионального
образования Российской Федерации. Автор более 150 научных
работ и 70 учебных и учебно-методических пособий по
электротехнике и электронике, 55 изобретений, имеет
4 патента.
Область научных и профессиональных интересов электрооптические системы отображения и регистрации
информации, термопечатающие устройства, видеоприн­
теры; разработка нового учебно-лабораторного обору­
дования.
Изложены основные разделы дисциплины «Электротехника, электроника
и схемотехника». Приведено описание четырнадцати лабораторных работ.
Каждая работа сопровождается теоретическим материалом в форме
конспективного изложения основных разделов лекций, примерами расче­
тов и моделирования электрических цепей и электронных схем, расчетными
домашними заданиями по обработке экспериментальных результатов.
Компьютерный лабораторный практикум построен на базе новой облачной
среды схемотехнического проектирования TINACIoud компании DesignSoft,
подключение пользователя к которой происходит через Интернет в любом
месте и в любое время без установки программы на собственном устройстве
с использованием как настольного компьютера, так и различных мобильных
устройств (ноутбуков, планшетов, смартфонов). Практикум предназначен для
формирования навыков, умений и компетенций в расчетах и эксперименталь­
ных исследованиях электрических цепей и электронных схем. Пособие может
быть использовано как при традиционных, так и дистанционных технологиях
обучения студентов.