集成電路原理實驗講義

1、集成電路原理1、 實現(xiàn)課程簡介集成電路原理是一門理論性較強的課程，同時也是一門綜合型課程。它結(jié)合了電路，模擬電路，線性電子電路等方面的知識，使學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識的同時又加強了對以往知識的鞏固。由于集成電路較強的理論性，開設(shè)集成電路實驗課的意義就不言而喻。通過實驗，使得學(xué)生對理論知識有了更好的掌握，并鍛煉了學(xué)生的動手能力。本課程實驗共四個，分別為：積分與微分電路（有源）、有源濾波器、電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路、波形變換電路，每個實驗均緊貼課程內(nèi)容，并針對學(xué)生在學(xué)習(xí)理論過程中易遇到的難題部分，在實驗中通過練習(xí)和思考題的方式予以幫助解決。四個實驗由易到難，由淺到深，使學(xué)生易于理解和掌握。2、 TPE-A實驗箱

2、簡介：集成電路原理的實驗均是在TPE-A實驗箱中完成，該實驗箱主要是用于完成低頻模擬電子技術(shù)方面的實驗。該實驗箱的實驗板采用獨特工藝，正面貼膜同時印有原理圖及符號，反面為印制導(dǎo)線并焊有相應(yīng)元器件，需要測量及觀察的部分裝有自鎖緊式接插件，使用直觀、可靠，維修方便、簡捷。同時在使用該實驗箱的時候，配備使用數(shù)字萬用變、雙蹤示波器、函數(shù)發(fā)生器等儀器，使學(xué)生的動手能力得到充分鍛煉。實驗一 積分電路與微分電路1、 實驗?zāi)康?1. 掌握由運算放大器組成的積分與微分電路。 2. 掌握積分與微分電路的特點，并觀察記錄積分與微分電路的實驗區(qū)別。 3. 熟悉運算放大器在電路中的使用。2、 實驗儀器 1. 數(shù)字萬用表

3、 2. 信號發(fā)生器 3. 雙蹤示波器 4. TPE-A實驗箱3、 實驗原理 1.積分電路如圖1.1所示，其輸出信號與輸入信號的積分成正比，采用基本積分電路可以實現(xiàn)某一信號的一般波形轉(zhuǎn)換（電路原理基于電容的沖放電原理），積分電路運算關(guān)系： 圖1.1 積分電路 2.微分電路如圖1.2所示，其輸出信號與輸入信號的微分成正比，微分電路運算關(guān)系：圖1.2 微分電路3.積分-微分電路如圖1.3所示。圖1.3積分-微分電路圖4、 實驗內(nèi)容與步驟 1. 積分電路部分： （1）按實驗圖在實驗箱中連接電路，并在輸入端取Vi =1V，觀察輸出Vo的結(jié)果。 （2）在圖1.1中使輸入端取頻率為100HZ幅值為4V的正弦

4、波信號，觀察 Vi 和Vo 的波形情況，觀察二者的相位關(guān)系和幅值大小，同時記錄二者波形。 （3）若改變（2)中輸入信號的頻率為150HZ，觀察二者的相位關(guān)系和幅值大小，同時記錄二者波形。 （4）若將圖1.1中積分電容大小改為1uF，重復(fù)（2）、（3）步驟，觀察實驗結(jié)果并記錄。 2. 微分電路部分： （1）按實驗圖在實驗箱中連接電路，并在輸入端取Vi =1V，觀察輸出的結(jié)果。 （2）在輸入端輸入頻率為100HZ，V=±4V的方波，觀察輸出Vo的波形并記錄有效幅值。 （3）依次改變（1）中方波的頻率（50HZ400HZ），用示波器觀察Vo 的波形變化，并建立表格記錄有效值的大小變化。 （

5、4）若使用積分電路中輸入端的正弦波信號（頻率為100HZ幅值為4V），用示波器觀察輸入Vi與輸出Vo的波形并記錄Vo的幅值。 （5）將電路中電容的大小改為0.2uF，重復(fù)（3）步驟，觀察輸出的變化并進(jìn)行記錄。 3. 積分-微分電路部分： （1）使用積分電路輸入端的正弦波信號（頻率為100HZ幅值為4V）作為圖1.3的輸入信號，用示波器觀察輸入Vi與輸出Vo的波形并記錄VO的幅值。 （2）使用微分電路輸入端的方波信號（頻率為100HZ，V=±4V）作為圖1.3的輸入信號，用示波器觀察輸入Vi與輸出Vo的波形并記錄有效幅值。5、 實驗報告 1. 對于圖1.1電路，分析當(dāng)輸入Vi為正弦波，

6、輸出Vo為何種波形？二者的相位差為多少？ 2. 若圖1.1輸入Vi為100HZ有效值是1V的正弦波，輸出Vo有效值是多少？ 3. 對于圖1.2電路，分析當(dāng)輸入Vi為方波，輸出Vo為何種波形？二者的有效幅值分別為多少？ 4.記錄三個實驗輸出的波形，并進(jìn)行分析。6、 預(yù)習(xí)要求 1.熟悉運算放大器的功能和特點。 2.熟悉積分與微分電路原理。七、思考題 1.在積分電路實驗部分中，改變積分電容的大小對實驗結(jié)果如何影響？為什么會產(chǎn)生這種影響？ 2. 針對不同電路的實驗，分析實驗結(jié)果與理論結(jié)果之間存在誤差的原因 。5實驗二 有源濾波電路一、實驗?zāi)康?1. 掌握有源濾波的概念并熟悉其電路結(jié)構(gòu)和特點。 2. 熟

7、悉幾種濾波的不同電路功能，并能分析其濾波特性。二、實驗儀器 1. 信號發(fā)生器 2. 雙蹤示波器 3. TPE-A實驗箱3、 實驗原理 濾波電路的基本功能是使指定頻段的信號順利通過，其他頻率的信號被衰減，同時有源濾波電路（由RC元件和運算放大器組成）的濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化。根據(jù)不同頻率范圍的選擇，可將濾波電路分為低通（LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)、帶阻(BEF)等四種濾波器。 1. 典型的二階低通濾波電路圖如圖2.1所示,圖2.1 低通濾波電路電路性能參數(shù)：通帶增益 （2-1）截止頻率 （2-2）2. 高通濾波電路圖如圖2.2所示，將圖2.1中起濾波作用的電阻、電容互換位置，即可得二

8、階高通濾波電路。圖2.2 高通濾波電路3.帶阻濾波電路圖如圖2.3所示，該電路主要功能是使在規(guī)定頻帶內(nèi)，信號無法通過（或受到很大的抑制和衰減），而在其余頻帶內(nèi)信號能順利通過。圖2.3 帶阻濾波電路四、實驗內(nèi)容與步驟1. 低通濾波：（1） 按照圖2.1在實驗箱中接線，并接通電源。（2） 在電路中，輸入端輸入有效電壓為1V的信號波形，并依此改變輸入頻率，觀察輸出電壓的變化。（3） 記錄不同輸入頻率時，輸出電壓的大小。頻率（HZ）51015203050100150200300400500電壓（V）2. 高通濾波：（1）按照圖2.2在實驗箱中接線，并接通電源。（2) 在電路中，輸入端輸入有效電壓為1V

9、的信號波形，并依此改變輸入頻率，觀察輸出電壓的變化。 (3) 記錄不同輸入頻率時，輸出電壓的大小。頻率（HZ）51015203050100150200300400500電壓（V）3. 帶阻濾波： （1）按照圖2.3在實驗箱中接線，并接通電源。（2) 在電路中，輸入端輸入有效電壓為1V的信號波形，并依此改變輸入頻率，觀察輸出電壓的變化。 (3) 根據(jù)實驗觀察，自行建立表格并記錄不同輸入頻率對應(yīng)不同輸出電壓大小。頻率（HZ）51015203050100150200300400500電壓（V）5、 實驗報告 1. 在實驗報告中要求作出電路圖2.1、圖2.1、圖2.3 的幅頻特性曲線圖。 2. 通過實

10、驗分別找出電路圖2.1、圖2.1的截止頻率，電路圖2.3的中心頻率，六、預(yù)習(xí)要求 1. 熟悉幾種不同濾波的概念和功能，并熟悉濾波中的重要參數(shù)。 2. 分別分析電路圖2.1、圖2.3的工作原理，并計算電路增益表達(dá)式。七、思考題 1. 通過實驗測量出電路圖2.1、圖2.1的截止頻率，電路圖2.3的中心頻率是否與理論測量頻率之間存在較明顯誤差？試分析誤差產(chǎn)生的原因。 2. 在低通濾波電路中要想改變截止頻率，應(yīng)該在電路中調(diào)整哪個參數(shù)？在高通濾波電路中又如何調(diào)整？實驗三 電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路一、實驗?zāi)康?1. 掌握電壓/頻率轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)方法。 2. 掌握電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的基本組成部分并分析各部分的主要

11、功能。二、實驗儀器 1. 數(shù)字萬用表 2. 示波器 3. TPE-A實驗箱3、 實驗原理 電壓/頻率轉(zhuǎn)換（VFC）就是將輸入電壓信號按線性比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號，當(dāng)輸入信號變化時，輸出頻率信號也隨之變化。電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的輸出信號f0與輸入電壓Vi的大小成正比，輸入控制電壓為直流電壓。利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而改變振蕩電路的震蕩頻率，達(dá)到產(chǎn)生相應(yīng)頻率的效果。 本次實驗電路圖采用簡單的VFC電路（產(chǎn)生方波），電路圖如下： 圖3.1 電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路四、實驗內(nèi)容與步驟 1. 按圖3.1在實現(xiàn)箱中接線，并接通電源。 2. 通過在輸入端Vi處輸入不同電壓，使用示波器觀察輸出波形

12、的變化并記錄每次的Vo輸出頻率。 3. 記錄實驗結(jié)果：電壓（V）01234567頻率（HZ）5、 實驗報告根據(jù)實驗結(jié)果，畫出頻率-電壓關(guān)系曲線圖并進(jìn)行分析。六、預(yù)習(xí)要求 1. 熟悉電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的特點和性能。 2. 分析電路圖3.1中如何實現(xiàn)電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換。 七、思考題 1. 在電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路中，電容C是如何工作的？ 2. 在電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路中，主要受那些參數(shù)的影響？實驗四 波形變換電路一、實驗?zāi)康?1. 掌握波形變換電路的基本原理和工作特性。 2. 掌握波形變換電路中各元器件的主要功能 3. 熟悉各波形變換電路的設(shè)計方原理和參數(shù)設(shè)置方法。二、實驗儀器 1. 信號發(fā)生器 2.

13、雙蹤示波器 3. TPE-A實驗箱3、 實驗原理 波形變換電路的功能是將一種形狀的波形變換為另一種形狀的波形，以適應(yīng)不同需求。利用集成運算放大器或者專用模擬集成電路，配以少量的外接元件可以構(gòu)成各種類型的信號發(fā)生器和具有各種功能的變換電路。1. 精密半波整流電路如圖4.1所示。 由于二極管的伏安特性在小信號時處于截止或特性曲線的彎曲部分，一般利用二極管的單向性來組成整流電路，在小信號檢波時輸出端將得不到原信號（或使原信號失真很大）。圖4.1 精密半波整流電路 當(dāng)（正半周）時，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓Vo=0;當(dāng)（負(fù)半周）時，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，輸出電壓。2.方波變?nèi)遣娐吩韴D

14、如圖4.2所示：圖4.2 方波變?nèi)遣娐?、 實驗內(nèi)容與步驟 1. 精密半波整流： （1）按照圖4.1在實驗箱中接線，并接通電源。 （2) 在電路中輸入頻率為200HZ，幅值為±2V的正弦波，在示波器中觀察輸入和輸出的波形，并對輸出波形進(jìn)行記錄。 （3）將（2）步驟中輸入正弦波的頻率變?yōu)?00HZ，幅值分別為±2V和±1V，在示波器中觀察輸入和輸出的波形的變化，并分別對輸出波形進(jìn)行記錄。 （4）將正弦波換為三角波，重復(fù)步驟（2）、（3），在示波器中觀察輸入和輸出的波形的變化，并對輸出波形進(jìn)行記錄。 2. 方波變換為三角波： （1）按照圖4.2在實驗箱中接線，并接通電源。 （2) 在電路中輸入頻率為400HZ，幅值為±5V的方波，在示波器中觀察輸入和輸出的波形，并對輸出波形進(jìn)行記錄。 （3）將（2）步驟中輸入方波的頻率變?yōu)?00HZ，幅值仍為±5V，在示波器中觀察輸入和輸出的波形的變化，并對輸出波形進(jìn)行記錄。 （4）將（2）步驟中輸入方波的幅值變?yōu)?#177;2V，頻率仍為400HZ，在示波器中觀