ЗАДАНИЕ
На контрольную работу по электронике
Студенту _2_курса (гр.ЗЭО-24У)электроэнергетического факультета
Вологодского государственного технического университета
________
(фамилия, имя, отчество)
1. Наименование темы : (в соответствии с заданием)
2 Целевая установка: На основе анализа технических характеристик и способов практической реализации электронных элементов (приборов) выбрать и рассчитать элементы и основные параметры электронного устройства, соответствующего варианту задания. Построить и проанализировать выходные и входные характеристики.
3 Основные вопросы, подлежащие разработке: .
1. Общая характеристика устройства
2. Выбор и расчёт основных элементов и параметров схемы устройства.
3. Расчёт, построение и анализ основных характеристик.
4. Исходные данные:
1. _____________________________;
2..____________________________________;
3..___________________
5. Общий объём и требования к оформлению:
Общий объём не должен превышать 10-12 страниц рукописного текста. Работа выполняется в ученической тетради объёмом 12-18 листов, аккуратно и грамотно. Структурные и функциональные схемы должны соответствовать требованиям ЕСКД и ГОСТ.
6. Перечень литературы:
1 Степанов О.И. Курс лекций по дисциплине «Пром.электроника»- Вологда, ВоГТУ, 2008 г. с. 84 Электронный вариант.
3 Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника. Высшее образование:Уч. пос..4-е изд.- Ростов, изд. Феникс, 2004.-256с.
4. Расчёт электронных схем. Учебное пособие для Вузов, под редакцией Г.И. Изъюровой.- М: Высшая школа, 1987 г., с 184.
5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под редакцией Б.Л. Перельмана, М: Радио и связь, 1981г., с. 656.
Срок представления работы руководителю не позднее чем за 3 дня до начала сессии.
Примечание: Количественные величины исходных данных приведены в таблице в соответствии с номером варианта задания.
«___»___________200 г. Руководитель Степанов О.И.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1
Усилительный каскад сигналов переменного тока на биполярном транзисторе с ОЭ.
Исходные данные:
1. Напряжение источника питания -- Е;
2. Входное сопротивление Rвх.;
3. Максимальная амплитуда входного сигнала Uвх.а;
4. Коэффициент усиления Кuo;
5. Активная внешняя нагрузка Rн;
6. Ёмкость нагрузки Сн;
7. Нижняя граничная частота сигнала fн;
8. Верхняя граничная частота сигнала fв;
Выходное сопротивление источника входного сигнала пренебрежимо мало. Потребляемый каскадом ток должен быть близок к минимально возможному.
Разрешается использовать резисторы с 5-ти омным отклонением от номинала.
При расчёте приходится использовать две ситуации – режим покоя каскада, когда входной сигнал отсутствует и отдельно оценивать влияние сигнала.
Схема усилительного каскада показана на рисунке 2.
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 1
| Исходные данные | Номер варианта | ||||||||||
| Источник питания, В | 1 5 | ||||||||||
| Входн. сопр. Rвх.,кОм | |||||||||||
| Входн. сигн Uвх.,мВ | |||||||||||
| Коэффиц. усиления по напряж. Кu | ≈ 50 | ||||||||||
| Активн.нагр.Rн,кОм | |||||||||||
| Ёмкость нагр.Сн, пФ | ≤ 50 | ||||||||||
| Нижн. граничн. част сигн. fгр.кГц | |||||||||||
| Верхн. граничн. част. сигнала fгр. в.,кГц |
Выходное сопротивление источника входного сигнала пренебрежимо мало, а потребляемый каскадом ток должен быть близок к минимально возможному. При расчётах разрешается использовать резисторы с 5%-ным отклонением от номинала.
Методика расчёта каскадов усилителя
Проектирование усилителя начинают с составления структурной схемы и выбора её элементов, исходя из предъявленных к усилителю требований.
При выборе структурной схемы решают, нужны ли в проектируемом усилителе входное и выходное устройства, усилитель мощности и предварительный усилитель. Составив структурную схему усилителя, выбирают принципиальные схемы входного и выходного устройств (резистивно-емкостные, трансформаторные), каскада усилителя мощности (однотактный, бестрансформаторный, трансформаторный), каскадов предварительного усиления (с прямой связью, резистивный, трансформаторный, инверсный и т.д.).
После этого выбирают транзисторы для всех усилительных каскадов, исходя из заданной выходной мощности или выходного напряжения и напряжения источника сигнала, приближённо определив требуемый от каскадов коэффициент усиления. Затем осуществляют ориентировочный выбор принципиальной схемы усилителя и распределяют заданные частотные искажения Мн и Мв по цепям и каскадам, вносящим эти искажения. Распределение Мн и Мв производят отдельно на нижней и верхней рабочих частотах. После этого выбирают режим работы транзисторов и осуществляют электрический расчёт элементов схемы.
Расчёт усилителя проводят начиная с оконечного каскада, а затем рассчитывают предоконечный каскад и последовательно доходят до входа.
1. Расчёт выходной цепи.
Эквивалентная схема выходной цепи для сигнала (по переменному току) приведена на рис.3,
где транзистор представлен источником тока, шунтированным сопротивлением rк и ёмкостью Ск его коллекторного перехода.
Так как ток каскада следует брать минимальным, определим максимально допустимое сопротивление R5 обеспечивающее пропускание fгр.в. Ёмкость конденсатора С3 >> Сн заведомо, поэтому на высоких частотах С3 можно считать коротко замкнутым. Кроме того rк >> Rн и Ск<< Сн, поэтому влияние rк и Ск меньше погрешности расчёта и соответственно ими можно пренебречь. Таким образом, постоянная времени перезаряда Сн есть Тн@ (R5 II Rн) Сн
Имеем fгр.в = 1 / 2p Тн, откуда R5 II Rн £ 1 / 2p Сн f гр.в.
Из уравнения R5 II Rн = R5 Rн / (R5 + Rн) получим значение R5.
Чтобы иметь запас по fгр.в выбираем ближайший меньший номинал для резистора R5
Выбираем напряжение покоя коллектора транзистора Uко. Максимальное амплитудное значение выходного сигнала есть Uвых.а =Кuo Uвх.а.
Следовательно, диапазон возможных напряжений на коллекторе Uко будет равен.
Примем Uко =2Е / 3 и напряжение покоя базы Uбо = Е / 3, тогда диапазон возможных изменений Uк будет Uк @ Uко ± и если он заведомо больше чем требуется, то такой запас позволяет не беспокоиться о возможном отклонении Uко от расчётного значения вследствие отклонений сопротивлений резисторов от номинальных значений или температурного дрейфа параметров транзисторов.. Вместе с тем ток покоя коллектора транзистора будет достаточно невелик.
Iк = (Е — Uко) / R5
Ёмкость конденсатора С3 должна быть выбрана такой, чтобы обеспечивалась передача сигнала с fгр.н с коллектора транзистора на сопротивление нагрузки. Из эквивалентной схемы видно, что перезаряд этого конденсатора происходит через последовательное соединение R5 и Rн. Следовательно, постоянная времени перезаряда С3 составит:
Тнч = (R5 + Rн) С3 ³ 1/ 2p fгр.н.
Отсюда получим
С3 ³ 1 / 2pfгр.н. (R5 + Rн).
В качестве конденсатора можно использовать керамический или бумажный конденсатор с расчётной ёмкостью.
2. Расчёт эмиттерной цепи.
Эквивалентная схема эмиттерной цепи представлена на рисунке 4.
Здесь транзистор со стороны эмиттера представлен как генератор напряжения, равного входному с выходным сопротивлением rб / h21э + 1) + rэ. Иными словами со стороны эмиттера транзистор ведёт себя как эмиттерный повторитель—он, транзистор, «не знает» что происходит в коллекторной цепи. При значениях h21э ≥ 20 можно полагать что ток покоя эмиттера Iэ = Iк. Отсюда можно определить, учитывая что Uб-э ≈ 0,7 В:
R4 ≈ (Uбо — Uбэ) / Iэ.
Выберем номинал R4 из существующих или ближайших к расчётному
Дифференциальное сопротивление транзистора со стороны эмиттера есть (объёмными сопротивлениями базы и эмиттера можно пренебречь):
rб / (h21э + 1) + rэ
Полагая,что ёмкость конденсатора С2 достаточно велика и с учётом величины h21э определим сопротивление R3, обеспечивающее заданный коэффициент усиления, из уравнения:
Кu ≈ [ R5/(rэ + R3 II R4 ) ] Rн + R3 ) = (R5 II Rн) / (rэ + R3 II R4 )
Получим значение R3 и выберем ближайший меньший номинал R3 (меньший для того, чтобы получить небольшой запас усиления, т.к. сделанные приближения, в частности наличие объёмных сопротивлений базы и эмиттера и обратного сопротивления коллектора ведут к тому, что реальный коэффициент усиления может оказаться несколько меньше расчётного).
Конденсатор С2 должен шунтировать на землю все частоты превышающие fгр.н. Следовательно, постоянная времени его перезаряда должна быть не меньше ранее вычисленной Тнч = 1/2pfгр.н.. Так как R4» rэ + R3, то перезаряд конденсатора С2 будет происходить практически полностью через последовательное соединение rб / h21э + 1) + rэ + R3 , uгде влиянием первого слагаемого можно пренебречь. Следовательно должно соблюдаться условие (rэ + R3 ) C2 ≥ Тнч, откуда следует значение С2. Выбираем ближайший больший номинал электролитических конденсаторов для С2. Заметим, при каком (в процентном соотношении) уменьшении ёмкости С2 её величина будет достаточна для обеспечения полосы
пропускания со стороны низких частот.
3. Расчёт базовой цепи.
Эквивалентная схема входной цепи и эквивалентная схема цепи базы представлена на рисунке 5 а,б.
|
При расчёте базовой цепи необходимо обеспечить выполнение двух требований, заданных условиями задачи, а именно:
1) обеспечить Rвх. не менее заданного
2) ток покоя базы не должен существенно влиять на режим работы каскада.
Рассмотрим первую задачу.
Резисторы в цепи базы соединены последовательно по отношению к источнику питания, но параллельно по отношению к сигналу. Поэтому входное сопротивление каскада для сигнала есть
Rвх =R1 II R2 II Rвх.т, где Rвх.т = rб + (rэ+ R3)(h21э + 1).
Теперь можно рассчитать величину R1 II R2.
Имеем Rвх. = R1 II R2 II Rвх.т = (R1 II R2) II Rвх.т = (R1 II R2)Rвх.т / (R1 II R2 + Rвх.т). Отсюда
следует выполняется ли условие R1 II R2 и чтобы иметь запас по Rвх и не нагружать напрасно источник питания делителем, примем соответствующее значение сопротивлений, составляющих делитель R1 II R2.
Располагая этой оценкой для R1 II R2 можно рассчитать R1 и R2 и оценить влияние тока базы на режим каскада. Ток покоя базы, протекая через делитель напряжения R1, R2 вызывает на нём дополнительное падение напряжения и тем самым влияет на напряжение покоя базы Uбо. При изменениях тока базы будет меняться и Uбо, что нежелательно.
Ток покоя базы есть:
Iб = Iэ / (h21э +1) = (Uбо — Uбэ) / [ R3 (h21э + 1)], где
Uбэ = 0, 7В приближённо можно считать величиной постоянной. Теперь цепь базы по постоянному току можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рисунке 5.
Из этой схемы можно получить:
Uбэ =Е [R2 / (R1 + R2)] (R4(h21э +1) + R1 II R2 ]) +Uбэ (R1 II R2 ) / [R4 (h21э + 1)+ R1II R2 ].
Из этого выражения видно, что чем больше h21э, тем слабее будет влияние тока базы на Uбо и если R4(h21э + 1)» R1 II R2 , то этим влиянием вообще можно пренебречь. . Если бы это условие не выполнялось, было бы необходимо выбрать транзистор с большим h21э.
Чтобы рассчитать R1 и R2 заметим, что R2/ (R1 + R2) = (R1II R2) / R1 и перепишем уравнение для Uбо в виде:
Uбо= Е[(R1II R2) / R1] {R4 (h21э +1)/ [R4(h21э +1) + R1 II R2]} + Uбэ (R1 II R2)/
/ [R4 (h21э + 1) + R1 II R2 ]
Подставляя сюда ранее вычисленные или выбранные значения, получим уравнение относительно R1:
Решив это уравнение, получим величину R1, однако прежде чем выбирать значения R1 сначала надо найти R2 из уравнения:
R1 II R2 = 50 кОм = R1R2 / (R1 + R2).
Получив значение R2, выберем в качестве R1 и R2 резисторы с близкими к расчётным меньшими значениями сопротивлений, обеспечивающими нужное отношение R2 / R1; Имея R2 /R1 проверяем заданное условие для Rвх.
Rвх. = R1 II R2 II R вх.т.
Конденсатор С1 образует с Rвх квазидифференцирующую цепь, постоянная времени которой должна быть не меньше Тнч ≈ 8 мс и следовательно ёмкость С1 должна удовлетворять условию С1 ≥ Тнч / Rвх.. Выбираем в качестве С1 керамический или бумажный конденсатор с требуемой ёмкостью..
Проверяем правильность выбора типа усилительного прибора.
В качестве транзистора может быть использован, например, КТ 315Б.
Следует учесть, что в паспортах транзисторов указывается h21э для тока эмиттера Iэном., при котором значение h21э максимально. Если Iэ < Iэном., то h21э≈ h21эном (Iэ / Iэном.)1/3.
Суммарный ток отбираемый каскадом от источника есть сумма токов транзистора и делителя в цепи базы.. Отсюда мощность, рассеиваемая каскадом, есть:
Р = Е · (Iт + Iд).
и проверяем как соотносится полученное значение с допустимой мощностью рассеяния любого из применяемых компонентов. Если Р > Рдоп, то дополнительно потребовался бы расчёт мощностей, рассеиваемых транзистором и резисторами, чтобы убедиться, что эти мощности не превышают допустимых величин.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2
