Построение нагрузочной прямой по постоянному току, выбор положения рабочей точки и определение величин элементов цепи питания и стабилизации режима работы

Цель работы стр. 3

Построение нагрузочной прямой по постоянному

Току, выбор положения рабочей точки и определе-

Ние величин элементов цепи питания и стабилиза-

Ции режима работы стр. 4

Определение малосигнальных параметров транзи-

Стора в рабочей точке. cтр. 7

Рассчет величин схемы замещения. стр. 9

Граничные и предельные частоты биполярного

Транзистора. стр. 10 6.Определение сопротивления транзистора по

переменному току. стр. 11 7. Построение сквозной характеристики I_к(U_бэ)

и определение наибольшей величины U_{вх н} ,

При которой охватывается вся переменная часть

Сквозной характеристики. стр. 13

Определение динамических параметров усили-

Тельного каскада для двух величин амплитуды

входного сигнала U_вх: U_{вх н}, и ½*U_вхн стр. 14

9.Определение Кг – коэффициента нелинейных

Искажений или коэффициента гармоник стр. 15

Заключение стр. 16

Список литературы стр. 17

Приложение стр. 18
1.Цель курсовой работы

Цель курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Основы схемотехники», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а так же в активизации самостоятельной учебной работы студентов, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные схемы биполярных транзисторов, получить разностороннее представление о конкретных электронных элементах.

В ходе выполнения курсовой работы необходимо для заданного типа транзистора выписать паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбрать положение режима покоя, для которого рассчитать величины элементов эквивалентных схем транзистора и малосигнальные параметры транзистора, графо-аналитическим методом определить параметры усилительного каскада.

 

Задание на курсовую работу.

 

o Тип транзистора___________________КТ208Ж

o Напряжение источника питания______Е_п=30В

o Сопротивление в цепи коллектора____R_к=2,2 кОм

o Сопротивление нагрузки____________R_н=3 кОм

 

 

Построение нагрузочной прямой по постоянному току, выбор положения рабочей точки и определение величин элементов цепи питания и стабилизации режима работы

На семействе выходных характеристик построим нагрузочную прямую по постоянному току, проходящую через две точки:

Рис1. Семейство выходных характеристик транзистора КТ208Ж.

при I_к=0, =>U_кэ=Е_п

при U_кэ=0, => U_кэ=E_п/(R_к+R_э)=Е_п/1,2*R_к

 

I_к=0, => U_кэ=15В

U_кэ=0,=> I_к=30/(440*2200)=11мА

 

Рис2.Входные характеристики транзистора КТ208Ж.

Координаты рабочей точки:

U_кэ⁰=15В

I_к⁰=5мА

U_бэ⁰=0,66В

I_б⁰=0,075мА

I_э⁰=I_к⁰+I_б⁰=5*10^-3+0,075*10^-3=5,075мА

 

Для предотвращения сильных нелинейных искажений и тепловой неустойчивости транзистора, а также уменьшения нестабильности параметров усилительного каскада выбираем схему с эмиттерной стабилизацией рабочей точки в которой используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина резистора R_э, задающего обратную связь, определяется из условия R_э=0,2R_к. Затем выберем ток делителя I_д, протекающего через R2, из условия I_д=5*I_б^о и определим величины резисторов R1, R2 по следующим соотношениям:

 

 

Рис3.Схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки.

U_Rэ=I_э⁰*R_э

U_R2=U_бэ⁰+U_Rэ

R₂=(U_бэ⁰+U_Rэ)/ I_д

R₁=(E_п-U_R2)/(I_д+I_б^о)

 

R_э=0,2*2200 =440 Ом (номинал R_э=470 Ом)

I_д=5*0,075*10^-3=0,375мА

U_Rэ=5,075*10^-3*440=4,84B

U_R2=0,66 +4,84 =5,5В

R₂=(0,66 +4,84)/ 0,375*10^-3=14,6 КОм (номинал R2=8,2 КОм)

R₁=(30-5,5)/(375*10^-6 +75*10^-6)=54,4 КОм (номинал R1=47 КОм)

 

3.Определение малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке.

 

H_11э= ∆U_бэ/ ∆I_б при U_кэ=5В - входное сопротивление, измеряемое при коротком замыкании

 

H_21э=∆I_к/ ∆I_б при U_кэ=5B -коэффициент передачи по току,измеряемое при коротком замыкании на выходе транзистора.

 

H_22э= ∆I_к/ ∆U_кэ при I_б⁰=0,075мА -выходная проводимость, измеряемая

при холостом ходе на выходе транзистора.

 

 

H_11э=(0,69-0,62)/(0,13*10^-3-0,02*10^-3)=636,4 Ом

Для нахождения H_21э и H_22э воспользуемся рис.4.

 

рис.4.

H_21э=(7*10^-3-3,2*10^-3)/(0,1*10^-3-0,05*10^-3)=75

H_22э=(6*10^-3-4,1*10^-3)/(25-5)=9,5*10^-5 Cм

 

4.Рассчет величины схемы замещения.

Для биполярного транзистора задана схема Джиаколлето – физическая малосигнальная высокочастотная схема замещения транзистора.

 

Рис5. Физическая малосигнальная высокочастотная схема замещения транзистора.

 

C_к=C_к пост √(U_{кб пасп} /U_кб) -барьерная емкость коллекторного перехода.

r_кэ=1/H_22э -выходное сопротивление транзистора.

r_к= r _кэ*(H_21э+1) -сопротивление коллеторного перехода.

r_э=25мВ/I_э⁰мА - сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока.

r_бэ= r _э*(H_21э+1) -сопротивление эмиттерного перехода для базового тока.

r_б=Н_11э-(Н_21э+1)r_э -распределенное сопротивление базы.

C_э=1/(2*π*f_т*r_э) -диффузионная емкость эмиттерного перехода.

T≈ С_э*r_б -собственная постоянная времени транзистора.

 

S= H_21э/ H_11э -крутизна транзистора.

 

Для расчетов необходимо найти Uкб.

U_кб=U_к-U_б=E_п-(R_к*I_к⁰)-(Iэ⁰*R_э+U_бэ⁰)=E_п-I_к⁰*R_к-((I_к⁰+I_б⁰)*R_э+U_бэ⁰)

U_кб=30-5*10^-3*2200-(5,075*10^-3*440+0,66) =15,7 В

C_к=50*√(10/15,7)=39пФ

 

r_кэ=1/(9.5*10^-5)=1,1 КОм

r_к=1,1*10³*76=670 КОм

r_э=25*10^-3/5,075*10^-3=4,3 Ом

r_бэ=4,3 *5,075=218 Ом

r_б=620-326,8=293 Ом

C_э=1/(2*3,14*380*10⁶*4.3)=9,7 нФ

T≈9,7*10^-9*293≈28 нс

S=75/636=0,118А/В=118мА/В

 

 

5.Граничные и предельные частоты биполярного транзистора.

f_T= |H_21э|* f_изм - граничная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ.

f_а= 1.5* f_т - предельная частота в схеме с ОБ.

f_в= f_т/ (H_21э+1) -предельная частота в схеме с ОЭ.

f_ген=√(f_т/(8*П*C_к* r _э)) -максимальная частота генерации.

f_s=1/(2*П*Т) -предельная частота транзистора по крутизне.

 

f_B=5МГц

f_T= f_B *(H_21э+1)=5*10⁶*(75+1)=380МГц

f_а=1,5*380*10⁶=570МГц

f_ген=√(380*10⁶/(8*3,14*39*10^-12*4.3))=146 МГц

fs=1/(2*3,14*28*10^-9)=5,6 МГц

 

6.Определение сопротивления транзистора по переменному току.

 

R_i=(R_к*R_н)/(R_к+R_н)

R_i=(2200*3000)/(2200+3000)=1269 Ом

 

4 Нагрузочная прямая по переменному току.

Строится по двум точкам:

I_к=0

U_кэ=I_к⁰* Ri+ U_кэ⁰=5*10^-3*1269+15=21В

 

Рис.6

 

7. Построение сквозной характеристики I_к(U_бэ) и определение наибольшей величины U_{вх н} , при которой охватывается вся переменная часть сквозной характеристики.

 

Iк, мА		1,5	3,3			10,5
Uбэ, В		0,025	0,05	0,75	0,125	0,15
Iб, мкА	0,45	0,64	0,65	0,66	0,69	0,7

 

Рис7.Сквозная характеристика транзистора КТ208Ж по нагрузочной прямой для переменного тока.

8.Определение динамических параметров усилительного каскада для двух величин амплитуды входного сигнала U_вх: U_{вх н}, и ½*U_вхн.

1. K_i=∆I_к/∆I_б -коэффициент усиления по току.

 

2. K_u=∆U_кэ/∆U_бэ -коэффициент усиления понапряжению.

 

3. K_p= K_i* K_u -коэффициент усиления по мощности.

 

Приращения ∆U_бэ=∆U_вх=0,2В и соответствующее ему приращение ∆I_б берутся на входной характеристике (с учетом обеих полуволн), а приращение ∆I_к, ∆U_кэ –по нагрузочной прямой для переменного тока на семействе выходных характеристик вблизи режима покоя транзистора.

 

Для U_{вх н}=0,1В.

 

K_i=(8,5*10^-3-1,5*10^-3)/(0,12*10^-3-0,025*10^-3)=75,7

K_u=(19-12)/(0,68-0,64)=175

K_p=175*73,7=12897,5

 

Для ½*U_{вх н}.=0,05В

K_i=(7*10^-3-3,3*10^-3)/(0,1*10^-3-0,05*10^-3)=74

K_u=(16-13)/(0,67-0,65)=150

K_p=74*150=11100

 

9.Определение Кг – коэффициента нелинейных искажений или коэффициента гармоник.

Коэффициент гармоник называется отношение эффективного значения суммы высших гармоник выходного напряжения к эффективному значению его первой гармоники:

Кг=(√U₂²+U₃²+U₄²+…)/U1, где U₁, U2,U3,U₄... – действующие значения отдельных гармоник выходного напряжения, этот коэффициент можно определить методом пяти ординат по сквозной характеристике, который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоники входного сигнала.

К_г≈√(К_г2²+К_г3²), где К_г2-коэффициент второй гармоники, К_г3-коэффициент третьей гармоники, определяются графически.(Рис 7)

I_max=10,5мA

I₂=15,7мA

I₀=5мA

I₁=1мA

I_min=0,5мA

а= I_max - I₀=10,5*10^-3-5*10^-3=5,5мА

b= I₀ - I_min=5*10^-3-0,5*10^-3=4,5мА

с= I₂- I₁=15,7*10^-3-1*10^-3=14,7мА

К_г2=3(а-b)/4(a+c+b)=3+1/5,5+19,2=0.057

К_г3=(a+b-2c)/2(a+b+c)=-0,029

К_г≈√(0.057²+(-0,029) ²) =0,064

Заключение

В результате выполнения данной работы я получил опыт разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов.

В ходе курсовой работы изучены характеристики и параметры биполярного транзистора, схема включения транзистора в качестве активного элемента усилителя, схема замещения транзистора и ее параметры. Рассчитаны динамические параметры каскада для двух значений амплитуды входного сигнала.

 

 

 

Список литературы

 

1. Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Методические указания к выполнению курсовой работы. Екатеринбург: УрКСИ, 1998.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. Б. Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1982.

3. Цыкина А.В. Электронные усилители. Учеб. пособие для техникумов связи, 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1982.