Общие технические характеристики используемого транзистора, схема цепи питания и стабилизации режима работы. Построение нагрузочной прямой по постоянному току. Расчет параметров элементов схемы замещения. Анализ и оценка нелинейных искажений каскада.
Аннотация к работе
Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники» заключается в расчете типового усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Кремниевые планарные n-p-n транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний на частотах до 60МГЦ. Чем больше будет сквозной ток делителя ІД = E/(RБ1 RБ2), тем стабильнее будет режим работы при замене транзистора и изменении температуры окружающей среды, но тем больше будет ток, потребляемый каскадом от источника питания, поэтому сквозной ток делителя выбирают из компромиссных соображений. 1) Входное сопротивление при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора: 2) Статический коэффициент передачи тока базы транзистора при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора определяют по выходным характеристикам транзистора. 6) Сопротивление базы транзистора: , 7) Диффузионная емкость эмиттерного перехода: , где fгр - граничная частота коэффициента передачи тока - частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером |h21Э| = 1 (для граничной частоты часто используется международное обозначение ft), fизм - частота, на которой измерен модуль коэффициента передачи тока базы |h21Э|.В ходе курсовой работы, мы добились поставленных целей: то есть закрепили теоретические знания, полученные при изучении дисциплины; сформировали углубленное понимание физических процессов в усилительных устройствах; изучили методы расчета усилительных устройств и их основных параметров; ознакомились с элементной базой аналоговых электронных устройств; получили навыки информационного поиска и пользования справочной информацией; ознакомились с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности; усвоили правила составления и оформления технической документации.
Введение
Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники» заключается в расчете типового усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.
Целью курсовой работы является: · закрепление теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины;
· формирование углубленного понимания физических процессов в усилительных устройствах;
· изучение методов расчета усилительных устройств и их основных параметров;
· ознакомление с элементной базой аналоговых электронных устройств;
· усвоение правил составления и оформления технической документации.
Исходные данные к курсовой работе включают: · тип транзистора;
· номинальное напряжение источника питания;
· сопротивление резистора в цепи коллектора;
· сопротивление нагрузки каскада.
Варианты задания выдаются преподавателем. Вариант задания выбирается по двум последним цифрам студенческого билета.
В результате выполнения курсовой работы студент должен представить: · пояснительную записку;
Выполнение данной курсовой работы призвано активизировать самостоятельную работу студентов и является важным этапом в формировании профессиональных компетенций.
1. Расчет усилительного каскада
1.1 Исходные данные к курсовой работе транзистор стабилизация цепь замещение
Таблица 1- Исходные данные
1. Тип активного элемента Биполярный транзистор
2. Используемый активный элемент КТ342Б
3. Напряжение источника питания, Еп 6 В
4. Сопротивление коллекторной нагрузки, Rk 0,12 КОМ
5. Номинал резистора в выходной цепи, Rн 0,18 КОМ
В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.
Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ342Б. Кремниевые планарные n-p-n транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний на частотах до 60МГЦ.
Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,5 г.
Таблица 2. Максимально допустимые параметры (гарантируются при температуре окружающей среды Тс= -60… 1250С)
ІК max-Постоянный ток коллектора, МА. 50
ІЭ max-Постоянный ток эмиттера, МА. 300
UЭБMAX-Постоянное напряжение эмиттер-база, В 5
UКБ max-Постоянное напряжение коллектор-база, В 30
UКЭMAX-Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при к.з. между Э и Б, В: КТ301E 25
Pk max - Постоянная рассеиваемая мощность коллектора, МВТ При Тк= - 60… 250С 250
Тп мах - Температура перехода, 0С 150
R т, п-к - Тепловое сопротивление переход-корпус, 0С/МВТ 0,5
Допустимая температура окружающей среды, 0С -60… 125
Наименование Обозначение Значения Режимы измерения min max , В , В , МА , МА , MAF, МГЦ
Обратный ток коллектора, МКА 5*10-60,0520
Обратный ток эмиттера, МКА 305
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В 0,050,1101
Напряжение насыщения база-эмиттер, В 0,60.9101
Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте: 3101,520
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ: 20050051
Емкость коллекторного перехода, ПФ 48510
Входное сопротивление в режиме малого сигнала, Ом 2005110-3
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте, нс 300515
Обратный ток коллектор-эмиттер (Rб ? 10 КОМ) 3025
Граничное напряжение транзистора, В 205
Таблица 4. Входные и выходные характеристики биполярных транзисторов
Транзистор Входные характеристики Выходныехарактристики
КТ342Б
1.3 Схема цепи питания и стабилизации режима работы транзистора
Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией изображена на рисунке.
2. Построение нагрузочной прямой по постоянному току
Уравнение нагрузочной прямой при выборе схемы включения биполярного транзистора.
Нагрузочную прямую строим по двум точкам: 1) при Ік=0 и Uкэ=Еп = 12 В
2) при Uкэ=0 и Рабочая точка (т.РТ) выбирается в точке пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой.
Для определения параметров покоя построим также входную характеристику транзистора.
Параметры режима покоя: Uкэрт=2,5 В
Ікрт=25 МА
Ібрт= 0,075 МА
Uбэрт= 0,63В
Іэрт= Ікрт Ібрт= 25·10-3 0,075·10-3 =25,075 МА
3. Расчет делителя в цепи базы
Рассчитаем сопротивления делителя RБ1, RБ2 в цепи базы. Чем больше будет сквозной ток делителя ІД = E/(RБ1 RБ2), тем стабильнее будет режим работы при замене транзистора и изменении температуры окружающей среды, но тем больше будет ток, потребляемый каскадом от источника питания, поэтому сквозной ток делителя выбирают из компромиссных соображений. Сквозной ток делителя выбираем из условия Ід= (3?10) Іб рт.
Выберем ток делителя , протекающий через , из условия: ; Пусть , тогда
Согласно закону Ома, сопротивление резистора:
(номинал RБ2 = 2,4КОМ ± 5%)
Рассчитаем сопротивление резистора RБ1:
(номинал RБ1 = 8,2КОМ ± 5%)
4. Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам
По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивление h11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистора h21Э и выходную проводимость h22Э.
1) Входное сопротивление при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора:
2) Статический коэффициент передачи тока базы транзистора при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора определяют по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h21Э необходимо задать приращение тока базы ?IБ и определить соответствующее приращение тока коллектора ?IК.
3) Выходная проводимость в режиме холостого хода на входе транзистора определяют также как и параметр h21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h22Э необходимо задать приращение напряжения коллектор-эмиттер ?UКЭ и определить соответствующее приращение тока коллектора ?IК.
4) Коэффициент обратной связи по напряжению, измеряемый при холостом ходе на входе транзистора о приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. Для всех типов биполярных транзисторов и рабочих точек принято (DIK, DIK,DUБЭ, DUКЭ - приращения, взятые симметрично относительно рабочей точки РТ).
5. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора
1) Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор - база UКБ =UКБ рт: UКБ рт = E - IK PTRK - (IK рт ІБ рт) RЭ - UБЭ рт
2) Выходное сопротивление транзистора:
3) Сопротивление коллекторного перехода транзистора:
4) Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера:
5) Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы: .
6) Сопротивление базы транзистора: , 7) Диффузионная емкость эмиттерного перехода: , где fгр - граничная частота коэффициента передачи тока - частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером |h21Э| = 1 (для граничной частоты часто используется международное обозначение ft), fизм - частота, на которой измерен модуль коэффициента передачи тока базы |h21Э|.
Значения |h21Э| и fизм берется из справочника, причем значение fизм - из той же строки справочника, что и |h21Э| (колонка «Режимы измерения»).
8) Крутизна транзистора:
6. Расчет основных параметров каскада
1) Коэффициент усиления по напряжению:
2) Коэффициент усиления по току:
3) Коэффициент усиления по мощности:
4) Входное сопротивление каскада:
5) Выходное сопротивление каскада:
7. Оценка нелинейных искажений каскада
Построим нагрузочную прямую по переменному току, которая будет проходить через рабочую точку и точку B (рис. 8) с напряжением: UB = UКЭ рт ІК рт (RK||RH).
Оценим максимальную амплитуду выходного напряжения каскада UВЫХ m с учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Максимальная амплитуда UВЫХ m будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке UКЭ рт и разности напряжений UB -UКЭ рт.
Построим сквозную характеристику каскада - зависимость тока коллектора ІК от напряжения база-эмиттер UБЭ, для чего предварительно заготовим следующую таблицу: Таблица 5 - Данные для построения сквозной характеристики
ІБ, МКА 0 0,05 0,075 0,1 0,15 0,2
UБЭ, В 0,43 0,61 0,64 0,65 0,665 0,675
ІК, МА 2 18 25 31 42 52
Сквозную характеристику строим по нагрузочной прямой по переменному току. В таблице ?IБ - шаг по току базы, с которым приведены выходные характеристики в справочнике.
Каждую точку пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора спроецируем на ось токов. Полученные значения тока коллектора ІК1 - ІК7 занесем в таблицу.
Напряжения база-эмиттер, соответствующие токам ІК1 - ІК7, можно найти по входной характеристике транзистора (рис. 9), для чего на оси токов надо отложить значения токов базы из таблицы, спроецировать их на входную характеристику, а затем - на ось напряжений база-эмиттер. Если воспользоваться входными характеристиками транзистора, приводимыми в справочнике, то точность отсчета напряжений база-эмиттер будет крайне низкой.
Используя пары значений UБЭ, IK из таблицы, построим сквозную характеристику каскада, и определим наибольшую амплитуду входного сигнала UБЭM.
Оценим нелинейные искажения, вносимые каскадом, при максимальной амплитуде входного напряжения. Для оценки нелинейных искажений воспользуемся методом пяти ординат, который называют также методом Клина. Метод пяти ординат позволяет приближенно найти амплитуды первых четырех гармоник выходного колебания каскада и соответствующие коэффициенты гармоник.
Для использования метода пяти ординат построим на сквозной характеристике точки C и D, которые должны быть удалены от рабочей точки на половину амплитуды напряжения входного сигнала. В результате на сквозной характеристике получите пять равноудаленных по оси напряжений точек A, B, РТ, C и D, ординаты которых IA, IB, IK рт, IC, ID, используются при расчете коэффициентов гармоник.
IA =18 МА
IB = 52 МА
ІК РТ = 25 МА
IC =20 МА
ID =38 МА
1) Коэффициент второй гармоники:
2) Коэффициент третьей гармоники:
3) Коэффициент четвертой гармоники:
4) Интегральный коэффициент гармоник:
8. Выбор резисторов и конденсаторов
Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.
1) Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора RK: .
2) Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера RЭ: .
3) Мощность, рассеиваемая резистором RБ1 в цепи базы транзистора:
4) Мощность, рассеиваемая резистором RБ2 в цепи базы транзистора:
Допускаемое отклонение сопротивления резистора от номинального значения следует выбирать с учетом его влияния на значимые параметры каскада. Поскольку от сопротивления резисторов RБ1, RБ2, RЭ существенно зависит режим работы каскада, а от сопротивления резистора RK - коэффициент усиления каскада по напряжению, то требования к допуску на сопротивление этих резисторов должны быть достаточно жесткими. Рекомендуется допуск ± 5%. Допускаемые отклонения от номинального значения сопротивления резисторов стандартизованы.
Для выбора конденсаторов прежде всего необходимо знать их емкость. Рассчитывается емкость конденсаторов СБ, СК, СЭ по формулам, полагая нижнюю граничную частоту полосы пропускания каскада fн = 50 Гц. Сразу после расчета соответствующей емкости выбераем ближайшее большее значение по ряду Е6 [10]. Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20%, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20% больше рассчитанного значения. Если это условие не выполняется, то следует взять следующее большее значение емкости по ряду Е6.
Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20%, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20% больше рассчитанного значения. По ряду Е6 выберем ближайшие большие подходящие значения емкостей: Сб=15 МКФ, Ск=33 МКФ, Сэ=6800 МКФ.
Для выбора конденсаторов необходимо также рассчитать рабочие напряжения, при которых они будут работать в усилителе.
1) Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы СБ:
2) Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора СК:
3) Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера СЭ:
Номинальное напряжение соответствующего конденсатора должно с некоторым запасом превышать рабочее рассчитанное напряжение. Тип конденсатора будем выбирать по номинальной емкости и номинальному напряжению из числа перспективных конденсаторов с оксидным диэлектриком.
Вывод
В ходе курсовой работы, мы добились поставленных целей: то есть закрепили теоретические знания, полученные при изучении дисциплины; сформировали углубленное понимание физических процессов в усилительных устройствах; изучили методы расчета усилительных устройств и их основных параметров; ознакомились с элементной базой аналоговых электронных устройств; получили навыки информационного поиска и пользования справочной информацией; ознакомились с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности; усвоили правила составления и оформления технической документации.
Так же в ходе работы проделали следующие вычисления: выбрали режим работы транзистора, при помощи нахождения рабочей точки на семействе выходных характеристик; определили h-параметры транзистора по статическим характеристикам: входное сопротивление, статический коэффициент передачи тока базы, входная проводимость, коэффициент обратной связи по напряжению, рассчитали параметры элементов схемы по напряжению: емкость коллекторного перехода, напряжение коллектора-базы в рабочей точке, входное сопротивление транзистора, сопротивление коллекторного перехода транзистора, сопротивление эмиттерного перехода для тока эмиттера и для тока базы, сопротивление базы транзистора, диффузионная емкость эмиттерного перехода; рассчитали основные параметры каскада коэффициент усиления по напряжению, току, мощности, входное сопротивление каскада и выходное сопротивление каскада; оценили нелинейные искажения каскада; так же выбрали резисторы и конденсаторы, которые перечислили в перечне элементов.
Список литературы
1. Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для студ. вузов / В.Н. Павлов. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 288 с.
2. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов. - В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - 5-е изд., стер. - М.:Высш. шк., 2008. - 798 с.
3. Скаржепа В.А. Электроника и микросхемотехника. Ч. 1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник / В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко; Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. - Киев: Вищашк. Головное изд-во, 1989. - 431 с.
4. Агаханян Т.М. Линейные импульсные усилители / Т.М. Агаханян. - М.: Связь, 1970. - 472 с.
5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977. - 672 с.
6. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.