Для выходного каскада транзистор выбирают по следующим параметрам: верхней граничной частоте fв, максимальной величине тока коллектора Ік, наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп, максимальной рассеиваемой транзистором мощности. Максимальная рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину IK0UКЭ0 = 1,35 Вт, где UКЭ0 - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой выходной характеристики транзистора VT3: = 5 В. Определение входной проводимости транзистора: Определяем ток базы в рабочей точке по выходной характеристике транзистора VT3: Іоб=2 МА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость: ?ІБ=8 МА, ?UБЭ=0,1 В, y11=0,08 См. Для промежуточного каскада транзистор выбирают аналогично транзистору выходного каскада: по верхней граничной частоте fв, максимальной величине тока коллектора Ік, максимальной рассеиваемой транзистором мощности и наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп. Максимальная рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину IK0UКЭ0=0,225 Вт, где UКЭ0 - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой выходной характеристике транзистора VT2: = 5 В.
Введение
Целью курсовой работы является освоение методик синтеза законченных цифровых устройств, выполняющих набор заданных функций, на основе стандартных ИМС средней степени интеграции. В процессе выполнения курсовой работы происходит изучение и освоение методов разработки и оформления принципиальных электрических либо структурно-логических схем устройств, а также освоение методик расчета элементов электрических схем импульсного типа, построенных на интегральных логических элементах, оформления расчетов и перечня элементов с использованием ряда номиналов Е24 .
Для выполнения каждой задачи вначале следует изучить теорию стандартных ИМС, на которых строится цифровое устройство: назначение и принцип работы, таблицы истинности, уравнения каналов, структурно-логические схемы, особенности применения, электрические параметры и т.д. Этот материал подробно изложен в рекомендуемой литературе.
1. Модуль 1 - Аналоговая схемотехника
1.1 Анализ исходных данных
Необходимо произвести расчет широкополосного усилителя. Исходными для работы являются следующие данные: 1. Uвых.макс = 9 В;
2. Сн =33 ПФ;
3. Rн=50 Ом;
4. Кг=1 %;
5. fн=200 Гц;
6. fв=12 МГЦ;
7. Мн=1,5 ДБ;
8. Мв=1,1 ДБ;
9. Ес макс=10 МВ;
10. Rc = 3 КОМ;
11. t°C = -10°C... 60°C
1.2 Составление структурной и принципиальной схем широкополосного усилителя
Схема широкополосного усилителя состоит из следующих элементов: - входного каскада;
- фильтра высокой частоты;
- промежуточного каскада;
- выходного каскада;
Входной каскад необходим для согласования генератора обладающего внутренним сопротивлением с промежуточным каскадом. Сигнал с выхода промежуточного каскада поступает на фильтр верхних частот, который определяет заданную верхнюю граничную частоту усилителя, нижняя же граничная частота определяется величинами разделительных емкостей.
После фильтра сигнал поступает на промежуточный каскад усилителя, который из всех трех каскадов обладает наибольшим усилением. Далее усиленный сигнал через выходной каскад передается в нагрузку. Выходной каскад имеет ООС по току, что позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения.
1.3 Расчет элементов широкополосного усилителя
Расчет выходного каскада
1. Определение напряжения питания Еп :
Здесь Uвых - максимальное выходное напряжение, UКЭНАС?1 В - падение напряжение на транзисторе в состоянии насыщения, Uзап?5 В - запас по напряжению. Исходя из данных задания Uвых= 9 В, получаем Еп=24 В.
2. Выбор транзистора выходного каскада.
Для выходного каскада транзистор выбирают по следующим параметрам: верхней граничной частоте fв, максимальной величине тока коллектора Ік, наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп, максимальной рассеиваемой транзистором мощности.
Граничная частота передачи тока базы fв должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя fв: fв 5 fв
Исходя из данных задания fв =12 МГЦ следовательно fв ?60 МГЦ.
Максимальный ток коллектора выбирается из условия:
Подставляя данные, получаем IKMAX ? 540 МА. Выберем IKMAX=540 МА, тогда ток ІК0 выберем равным половине IKMAX: IK0 = 0.5 IKMAX = 270 МА.
Напряжение питания усилителя Еп должно быть меньше 0.8 UКЭ доп.
Максимальная рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину IK0UКЭ0 = 1,35 Вт, где UКЭ0 - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой выходной характеристики транзистора VT3: = 5 В.
ІК доп = 1,3 А > 0,54 А UКЭ доп = 40 В. Еп = 24 В < 0.8UКЭ доп = 32 В.
P доп = 2 Вт > IK0 UКЭ0=1,35 Вт.
3. Расчет резисторов R12 и R13.
Значение максимального напряжения на коллекторе UKMAKC = Еп = 24 В. Величину сопротивления в цепи эмиттера R13 выбирают исходя из условия, чтобы падение напряжения на нем не превышало величину 0,1-0,3 Еп: UR13 = 0,1 Еп
Сопротивление в цепи коллектора R12 рассчитываем аналогично, задавшись напряжением на нем: , Подставив полученные данные получим: UR12= 16,6 В. Сопротивление R12 определяется по формуле:
4. Расчет сопротивления нагрузки по переменному току RH~ : Сопротивление нагрузки по переменному току RH~ образовано параллельным соединением RH и R12 и равно:
Подставляя, получим: RH~=27,7 Ом.
5. Определение входной проводимости транзистора: Определяем ток базы в рабочей точке по выходной характеристике транзистора VT3: Іоб=2 МА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость:
?ІБ=8 МА, ?UБЭ=0,1 В, y11=0,08 См.
6. Определение крутизны транзистора:
?ІК=0,15 А, ?UБЭ=0,03 В S=5 А/В.
7. Расчет резисторного делителя: С помощью резисторного делителя задается положение рабочей точки; определим U0Б:
U0Б=U0Э U0БЭ, По входным характеристикам определяем U0БЭ=0,66 В, U0Э=UR13=2,4 В и подставляя получаем U0Б=3,06 В.
8. Рассчитываем входное сопротивление каскада по переменному току: Его величина определяется как суммарное сопротивление параллельно включенных R10, R11, и (1/y11)*?, где ?=1 SR13 - глубина ООС: RBX?=R10//R11//[(1/y11)( 1 SR13)],
1. Напряжение питания Еп равно напряжению питания выходного каскада - 24 В: 2. Выбор транзистора промежуточного каскада.
Для промежуточного каскада транзистор выбирают аналогично транзистору выходного каскада: по верхней граничной частоте fв, максимальной величине тока коллектора Ік, максимальной рассеиваемой транзистором мощности и наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп. Различие в величине максимального тока.
Максимальный ток коллектора выбирается из условия: , Здесь KU3=3,0 - коэффициент усиления выходного каскада, Rвх3=112 Ом - его входное сопротивление по переменному току;
Подставляя данные получаем IKMAX? 80 МА. Определим IKMAX=90 МА, ток ІК0 выберем равным половине IKMAX: IK0 = 0.5 IKMAX = 45 МА.
Напряжение питания усилителя Еп должно быть меньше 0.8 UКЭ доп.
Максимальная рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину IK0UКЭ0=0,225 Вт, где UКЭ0 - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой выходной характеристике транзистора VT2: = 5 В.
Значение максимального напряжения на коллекторе UKMAKC = Еп = 24 В. Величину сопротивления в цепи эмиттера R9 выбирают исходя из условия, чтобы падение напряжения на нем не превышало величину 0,1-0,3 Еп: UR9 = 0,2 Еп
Сопротивление в цепи коллектора R8 рассчитываем аналогично, задавшись напряжением на нем: , Подставив полученные данные получим: UR8= 14,2 В. Сопротивление R8 определяется по формуле: R8 = UR8 / IK0 , R8 = 315,6 Ом (выбираем 320 Ом).
4. Расчет сопротивления нагрузки по переменному току RH~ : Сопротивление нагрузки по переменному току RH~ образовано параллельным соединением RH и R8 и равно:
5. Определение входной проводимости транзистора: Определяем ток базы в рабочей точке по выходной характеристике транзистора VT2: Іоб=0,5 МА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость:
?ІБ=4 МА, ?UБЭ=0,3 В, y11=0,013 См.
6. Определение крутизны транзистора:
?ІК=30 МА, ?UБЭ=0,05 В S=0,45 А/В.
7. Расчет резисторного делителя: С помощью резисторного делителя задается положение рабочей точки; определим U0Б: U0Б=U0Э U0БЭ, По входным характеристикам определяем U0БЭ=0,64 В, U0Э=UR9= 4,8 В и подставляя получаем U0Б=5,44 В.
8. Рассчитываем входное сопротивление каскада по переменному току: Его величина определяется как суммарное сопротивление параллельно включенных R6, R7, и (1/y11): RBX?=R6//R7//(1/y11),
Подставляя числовые данные получаем: RBX?=73,7 Ом.
Выбор сопротивления фильтра: Выберем R5 так чтобы ослабление амплитуды сигнала делителем образованным R5 и Rвх2 было незначительным: R5= 5 Ом.
Расчет входного каскада
1. Напряжение питания Еп равно напряжению питания выходного каскада - 24 В: 2. Выбор транзистора промежуточного каскада.
Для выходного каскада транзистор выбирают аналогично транзистору выходного и промежуточных каскадов: по верхней граничной частоте fв, максимальной величине тока коллектора Ік, максимальной рассеиваемой транзистором мощности и наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп. Различие в величине максимального тока. Максимальный ток коллектора выбирается из условия: , Здесь KU3=3,0 , KU2=37,35 - коэффициенты усиления выходного и промежуточного каскадов, Rн1=Rвх2 R5=78,7 Ом - сумма сопротивлений фильтра и входного сопротивления промежуточного каскада по переменному току; подставляя данные получаем IKMAX ? 3,06 МА. Определяем IKMAX равным 10 МА. Ток ІК0 выберем равным половине IKMAX: IK0 = 0.5 IKMAX = 5 МА. Максимальная рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину IK0UКЭ0=0,025 Вт, где UКЭ0 - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой выходной характеристике VT1: = 5 В.
Значение максимального напряжения на коллекторе UKMAKC = Еп = 24 В. Величину сопротивления в цепи эмиттера R4 выбирают исходя из условия, чтобы падение напряжения на нем не превышало величину 0,1-0,3 Еп:
UR4 = 0,2 Еп
При Еп = 24 В, UR4 =4,8 В.
Подставляя ІК0=5 МА, получаем: R4=960 Ом.
Сопротивление в цепи коллектора R3 рассчитываем аналогично, задавшись напряжением на нем: , Подставив полученные данные получим: UR3= 14,2 В. Сопротивление R3 определяется по формуле: R3 = UR3 / IK0 , R3 = 2840 Ом (выбираем 2,7 КОМ).
4. Расчет сопротивления нагрузки по переменному току RH~ : Сопротивление нагрузки по переменному току RH~ образовано параллельным соединением RH и R3 и равно:
5. Определение входной проводимости транзистора: Определяем ток базы в рабочей точке по выходной характеристике транзистора VT1: Іоб=0,12 МА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость:
?ІБ=0,2 МА, ?UБЭ=0,15 В, y11=0,0013 См.
6. Определение крутизны транзистора:
?ІК=10 МА, ?UБЭ=0,1 В S=0,1 А/В.
7. Расчет резисторного делителя: С помощью резисторного делителя задается положение рабочей точки; определим U0Б: U0Б=U0Э U0БЭ, По входным характеристикам определяем U0БЭ=0,59 В, U0Э=UR4=4,8 В и подставляя получаем U0Б=5,39 В.
Емкость конденсаторов С2 и С6 выбираются большими исходя из того, что его сопротивление цепочки R4С2 по переменному току существенно только на самой низкой частоте должно:
Так как входной и промежуточный каскады работают в режиме малого сигнала то нелинейные искажения обусловлены влиянием выходного каскада. Проведем оценку нелинейных искажений c помощью метода пяти ординат.
При помощи пяти ординат находятся гармонические составляющие. Входной ЭДС Егм1, Егм2, Егм3, по которым рассчитывается коэффициент гармоник: , На нагрузочной прямой наносятся точки мгновенных значений тока Ік1, Ік2, Ік3, Ік4, Ік5, соответствующие IKMIN, (IK0-IKMIN)/2, IK0, (IKMAX-IK0)/2, IKMAX, по выходным характеристикам находятся отвечающие им токи базы Іб1, Іб2, Іб3, Іб4, Іб5, и по входным характеристикам находятся мгновенные значения напряжения база-эмиттер Uб1, Uб2, Uб3, Uб4, Uб5. Рассчитываются размахи ЭДС:
, , , , Далее находим амплитуды первых трех гармонических составляющих ЭДС: , , , И рассчитываем коэффициент гармоник каскада: , где ? - коэффициент ООС.
Подставляя числовые данные получаем Кг = 0,69 %, что не превышает заданного.
2. Модуль 2. Цифровая схемотехника
2.1 Задача №1. Устройство демультиплексирования кодов
Демультиплексор работает следующим образом: при выставлении на шину адреса двоичного кода, соответствующего номеру подключаемого выхода, входной сигнал передается на этот выход.
Таблица 2 Таблица адресации демультиплексора
Расчет энергопотребления всего устройства и времени задержки по одному каналу.
Время задержки по одному каналу: Тобщ = Тср. К555ид3 Тср. К555ид4=67 нс.
Потребляемая мощность микросхемы К555ИД3 = 250 МВТ, К555ИД4= 50 МВТ. Общее энергопотребление устройства Робщ =4*250 50= 1,050 Вт.
2.2 Задача №2. Коммутатор параллельных кодов
Проектирование коммутатора параллельных кодов с 10 источниками сигналов (словами) по 5 разрядов в каждом слове.
Рис. 4 - Коммутатор параллельных кодов (10 слов по 5 разрядов)
Таблица 3 Перечень элементов
Поз. ОБОЗНАЧЕНИЕНАИМЕНОВАНИЕКОЛ.Примечание
DD1-DD5 К155КП1 5 микросхема
Коммутатор работает следующим образом: на вход устройства подается 10 информационных слов. В зависимости от выбранного адреса на выход подается одно из входных слов при подаче стробирующего сигнала.
Таблица 4 Таблица коммутации
Расчет энергопотребления всего устройства и времени задержки - для одного слова относительно адресных сигналов.
Среднее время задержки К155КП1 =17 нс.
Время задержки по одному каналу Т=17 нс.
Потребляемая мощность микросхемы К155КП1 = 390 МВТ. Общее энергопотребление устройства Робщ = 390*5= 1,95 Вт.
2.3 Задача №3. Устройство параллельного ввода слов в регистры
Проектирование устройства параллельного ввода слов в регистры (7 слов по 8 разрядов в каждом слове, частота ввода слов 650 КГЦ)
Рис. 5 - Устройство параллельного ввода слов в регистры (7 слов по 8 разрядов)
Таблица 5 Перечень элементов
Поз. обозначение Наименование Кол. Примечание
DD1 К555ЛАЗ 1 микросхема
DD2, DD5 К555ЛН1 2 микросхема
DD3 К555ИЕ5 1 микросхема
DD4 К555ИД7 1 микросхема
DD6-DD12 К555ИР23 7 микросхема
VD1 КД522Б 1 диод
R1, R2 1 КОМ (МЛТ-0,125) 2 резистор
С1 47 НФ (К73-9) 1 конденсатор
Устройство параллельного ввода слов в регистры работает следующим образом: на вход устройства подаются импульсы ввода с частотой 650 КГЦ. При каждом положительном импульсе в регистре с номером, соответствующим номеру импульса защелкивается информационное слово. После запоминания 7 слов в регистрах цикл повторяется (при наличии разрешающего сигнала)
Диаграмма напряжений
Рис. 6 - Диаграмма напряжений
Расчет времени ввода всех слов в регистры.
Период повторения импульсов ввода T = 1/f = 1,54 мкс.
Время задержки одного такта счетчика тсч = 17 нс.
Время задержки дешифратора тдш = 41 нс.
Время задержки элемента И-НЕ ТИНЕ = 15 нс.
Время задержки элемента НЕ ТНЕ = 15 нс.
Время задержки регистра TRG = 28 нс.
Время ввода слова в регистр t1слово = ТИНЕ тсч тдш ТНЕ TRG = 116 нс.
Время ввода всех слов в регистры тобщ = 6Т t1слово = 9,356 мкс.
2.4 Задача №4. Запоминающее устройство (ЗУ) на ИМС оперативных ЗУ (ОЗУ)
Проектирование устройства ОЗУ (128 слов по 32 разряда)
Рис. 7 - Принципиальная электрическая схема ОЗУ 128х32
Таблица 6 Перечень элементов
Поз. обозначение Наименование Кол. Примечание
DD1 К555ИД7 1 микросхема
DD2-DD65 К531РУ8 64 микросхема
R1 1 КОМ (МЛТ-0,125) 1 резистор
Таблица 7 Таблица работы ЗУ
Список литературы
Полупроводниковые приборы: Транзисторы./В.Л.Аронов и др.; под общ. ред. Н. Н. Горюнова.-М.: Энергоатомиздат, 1985.-904с., ил.
Шило, В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник/ В.Л.Шило.- М.: Радио и связь, 1989.- 352 с.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В трех томах. Т.1 - М.: Мир, 1993. - 413 с
4. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. - СПБ.: БХВ - Санкт Петербург, 2004. 528 с.
3. Партала, Олег Наумович. Цифровая электроника. - СПБ.: Наука и техника, 2000. - 208с.: ил.
4. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства.-М.: Связь, 1977.-360 с. : ил. широкополосный усилитель демультиплексирование искажение
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
