2720 ЭИ

2720	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (СамГУПС)

Кафедра «Электротехника»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольных работ № 1 и № 2 по дисциплине

«Электроника»

для студентов специальности 190402 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

очной и заочной форм обучения

Составитель: Н.С. Шорохов

Самара

2010

1

УДК 621.37

Методические указания к выполнению контрольных работ № 1 и № 2 по дисциплине «Электроника» для студентов специальности 190402 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» / составитель : Н.С. Шорохов. – Самара : СамГУПС, 2010. – 19 с.

Утверждены на заседании кафедры 11 ноября 2010 года, протокол № 3. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания предназначены для выполнения контрольных работ № 1 и № 2, с целью закрепления навыков и умений самостоятельной работы и самоконтроля знаний по курсу «Электроника».

Составитель: Н.С. Шорохов

Рецензенты: д.т.н., проф., зав. кафедрой «Электротехника» А.Е. Дубинин (СамГУПС);

к.т.н., проф., зав. кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь на ж.-д. транспорте» В.Б. Гуменников (СамГУПС)

Под редакцией составителей

Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 28.12.2010. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,19. Заказ № 330.

♥ Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

Введение

Новая высокоэффективная электронная техника все более широко применяется на железнодорожном транспорте, поэтому необходимо не только уметь находить неисправность и уметь проводить измерения различным тестирующим оборудованием, но и ориентироваться в справочной литературе по электронике.

В первой части (Задача №1) методических указаниях к выполнению контрольных работ №1 и №2 внимание уделено работе со статическими характеристиками полевых транзисторов, а также анализу простейших схем на полевом транзисторе графоаналитическим методом.

Во второй части (Задача №2) приводится перечень задач и схем, для самостоятельного решения, требующего применения справочной литературы, а также хорошее знание и понимание протекающих в них процессов.

Указания по оформлению

Вариант выбирается по последним трем цифрам студенческого билета. Выполнять контрольную работу необходимо аккуратно в ученической тетрадке в

клетку. Задание и данные для расчетов должны быть приведены полностью перед началом решения. Решение задач должно сопровождаться подробными пояснениями по каждому пункту. Графики статических характеристик полевого транзистора и рисунки схем перечерчиваются карандашом, отчетливо и аккуратно. Для замечаний необходимо оставить поля.

Во второй части контрольной работы все формулы необходимо сопровождать подробными объяснениями. Расчетные формулы должны содержать буквенные и численные значения.

Перед выполнением задач контрольных работ № 1 и №2, рекомендуется более подробно ознакомиться с соответствующими разделами «Электроники» в приведенной литературе.

ЗАДАЧА № 1

Выполнить графоаналитические расчеты по данным из таблиц 1, 2 и заданным стоковым характеристикам полевого транзистора (рисунок 1 – 10 приложения):

1)построить сток-затворную характеристику;

2)определить тип заданного полевого транзистора;

3)рассчитать малосигнальные параметры транзистора;

4)нарисовать эквивалентную схему полевого транзистора для заданного режима на низкой частоте и для области высоких частот;

5)рассчитать и построить характеристику полевого транзистора в режиме переменного

сопротивления.

3

Таблица 1

	n→			0			9		8			7	6			5		4			3		2		1
	N↓
1			Uзи		–0,5		0,5		1			1,5	2			0		2,5			1,5		0,5		–0,5
			Uси	6			8		3			4	5			7		4			3		5		8
2			Uзи	5			10		30			3	15			10		15			5		5		5
			Uси	10			30		15			20	25			10		20			15		25		30
3			Uзи	3			0		2			1	0			1		3			0		2		1
			Uси	15			10		12,5			10	20			22,5		12,5			22,5		20		17,5
4			Uзи	0			– 0,5		– 0,75			– 0,25	0			– 0,5		– 0,25			– 0,5		– 0,25		– 0,75
			Uси	3			8		4			6	5			7		3			5		4		8
5			Uзи	0			2		1			– 0,5	1			2		0,5			0,5		0		2
			Uси	3			4		8			5	7			3		6			7		4		6
6			Uзи	10			15		5			10	15			3		30			10		15		30
			Uси	25			10		20			15	30			25		10			20		15		20
7			Uзи		– 13		– 22		– 16			– 19	– 13			– 16		– 16			– 22		– 22		– 19
			Uси	15			10		20			12,5	5			10		7,5			12,5		15		17,5
8			Uзи		– 0,75		– 0,25		– 0,75			– 0,5	– 0,5			– 0,25		– 0,75			0		– 0,75		– 0,25
			Uси	7			5		3			6	4			8		5			4		6		7
9			Uзи		– 22		– 13		– 19			– 16	– 19			– 16		– 13			– 19		– 22		– 13
			Uси	5			20		10			15	7,5			5		10			15		20		12
0			Uзи	3			2		1			0	3			2		0			1		0		1
			Uси	7,5			10		12,5			15	10			15		12,5			15		17,5		20
N – последняя цифра студенческого билета;
n – предпоследняя цифра студенческого билета.
																						Таблица 2
			Z		Тип транзистора											Параметр
											Сзи , пФ					Сзс , пФ					Uзи(отсечки) , В
		1			КП103Л						20
																8						6
		2			КП201Ж						20					8					– 2,2
		3			КП302А
											20					8						– 5
		4			КП103К						20					8						4
		5			КП103М
											20					8						7
		6				КП907					230					20						1
		7			КП303Г
											6					2						– 8
		8			КП313А						7					1						– 6
		9			КП201К
											20					8						– 4
		0			КП301Б						10					8						– 4

Z – третья от конца цифра студенческого билета.

4

Методические указания к контрольной работе № 1

В таблице 1 приведены координаты рабочей точки, в которой следует определить малосигнальные параметры. Построение сток-затворной характеристики следует проводить для напряжения сток-исток, соответствующего рабочей точке. Сведения, необходимые для выполнения контрольной работы, можно найти в рекомендованной литературе и приведенных ниже методических указаниях.

Прежде чем приступить к решению контрольной работы №1 (Задача №1) нужно изучить принцип действия и характеристики различных типов полевых транзисторов [1, 2].

Полевые транзисторы характеризуются проходной сток-затворной и выходной стоковой характеристиками. Различный принцип действия полевых транзисторов с р-n переходом и МДП транзисторов со встроенным каналом (с обеднением) или с индуцированным каналом (с обогащением) определяет различный вид сток-затворных характеристик. Следует обратить внимание на соответствие вида сток-затворной характеристики определенному типу полевого транзистора.

Пример решения задачи № 1

Дано: транзистор КП1ОЗМ. Координаты рабочей точки: Uзи= 2 В;

Uси =17,5 В.

Выходная (стоковая) характеристика приведена на рис. 5 (приложение). Для построения сток-затворной характеристики проводим линию Uси = const = 17,5 В (на выходных ВАХ, см. приложение, рис. 5) и в точках пересечения ее с характеристиками транзистора определим ток стока Ic, соответствующий различным напряжениям на затворе (см. табл. 3).

					Таблица 3
Ic , мА	8,2	6	4	2,3	0,8
Uзи , В	0	1	2	3	4

Из данных таблицы 2 напряжение отсечки Uо = 7 В. По полученным значениям строим сток-затворную характеристику (рис. 1). Положение рабочей точки отмечено точкой 0.

Максимальному значению тока стока соответствует Uзи= 0 В, следовательно, полевой транзистор представляет полевой транзистор с р-n переходом. Знак напряжения на затворе определяет тип канала. Положительному напряжению на затворе соответствует канал р -типа для полевого транзистора с р-n переходом.

5

Малосигнальные параметры определяются графически по статическим характеристикам в рабочей точке.

Рис. 1. Сток-затворная характеристика полевого транзистора при заданном напряжении на стоке

Крутизна определяется из проходной (сток-затворной) характеристики (см. рис. 1):

	S =	IC	при Uси = const.
		U ЗИ

Изменение напряжения должно быть выбрано таким, чтобы нелинейную стокзатворную характеристику на этом участке можно было заменить линейной с достаточной степенью точности. Такой сигнал называется малым.

Изменение напряжения должно соответствовать изменению напряжения по обе стороны рабочей точки. Это однозначно подаче сигнала с амплитудой U2C относительно

рабочей точки.

В данном примере можно выбрать Uзи = 1 В. При этом IC = 1,8 мА.

S = 1,8 10−3 = 1,8 мСм. 1

По выходным, или стоковым, характеристикам можно определить выходное сопротивление Ri (см. рис. 5 приложения):

R	i	=	U CИ	при U = const.
				зи
			IC
			6

Критерий выбора изменения напряжения		Uси такой же, как и для выбора Uзи. В
данном примере можно выбрать Uси = 10 В. При этом ∆IC ≈ 0,1 мА:
10		=100 кОм.
Ri =
	0,1 10−3

Коэффициент усиления по напряжению определяется как

μ = S Ri = 1,8 10−3 = 180.

Часто входным сопротивлением можно пренебречь, и тогда полевой транзистор представляется эквивалентной схемой только выходной цепи.

По рассчитанным параметрам составим низкочастотную эквивалентную схему транзистора для заданного режима работы (см. рис. 2):

З

С

∆Uзи			100 кОм S·∆Uзи

И

Рис. 2. Эквивалентная схема полевого транзистора на низкой частоте

З					Cзс			С
					Cзи
	∆U’зи
∆Uзи							Ri	S·∆U’зи
					rK

И

Рис. 3. Высокочастотная эквивалентная схема полевого транзистора

Эквивалентная схема полевого транзистора на высокой частоте приведена на рис.3. Элементы схемы не зависят от частоты. Цепь затвора моделируется с помощью емкости Сзи и сопротивления канала rк. Выходная цепь моделируется с помощью сопротивления канала переменному току Ri и эквивалентного генератора тока S∆·UЗИ Обратная связь между выходом и входом определяется емкостью Сзс. Значения емкостей

являются справочными параметрами. Величина rк находится по формуле:

rК = 1 ,

S0

7

где S0 – крутизна прибора в заданной рабочей точке на низкой частоте.

Важнейшей особенностью представленной схемы является зависимость эквивалентного генератора тока не от входного напряжения Uзи, а от напряжения собственно на затворе ∆U'ЗИ. Именно это обстоятельство и отражает реальную частотную зависимость крутизны прибора.

До частоты fs (предельной частоты крутизны) можно считать, что параметры транзистора практически не зависят от частоты сигнала, и в этой области частот можно использовать низкочастотную эквивалентную схему. Следует отметить, что для точного анализа работы транзистора в частотном диапазоне этот критерий не всегда применим. Предельную частоту крутизны можно определить соотношением:

f S = 2πrК1СЗИ .

Используя данные расчета и табл. 2, определим частоту сигнала, до которой справедлива низкочастотная эквивалентная схема:

Сзи =20 пФ; Сзс= 8 пФ;

	rК =	1	=		1	= 0,55 кОм;
		S		1,8 10−3

f S =	1	=14,5 МГц.
	2 3,14 0,55 103 20 10−12

По данным расчета и табл. 2 составлена высокочастотная эквивалентная схема транзистора для примера на рис. 4.

З					8 пФ			С
					20 пФ
	∆U’зи
∆Uзи							100 кОм	1,8 мСм·∆U’зи
					550 Ом

И

Рис. 4. Высокочастотная эквивалентная схема полевого транзистора для заданного режима

Построим характеристику транзистора как переменного резистора. Характеристика транзистора линейна на начальных участках. Напряжение Uси,

при котором транзистор переходит из резистивного режима в режим насыщения, соответствует значению:

U СИ = U ЗИ − U 0 .

8

Для заданного семейства характеристик минимальный диапазон напряжения Uси в резистивном режиме соответствует Uзи = 4 В и равен:

U СИ = 4 − 7 = 3 В.

Выбираем Uси =2,5 В. Из выходных характеристик определяем при различных Uзи и выбранной величине Uси :

1)	R =	2,5					= 0,59 кОм	при Uзи = 0 В;
		4,2 10−3
2)	R =	2,5		= 0,83 кОм				при Uзи = 1 В;
		3 10−3
3)	R =	2,5					= 1,38 кОм	при Uзи = 2 В;
		1,8 10−3
4)	R =	2,5					= 2,27 кОм	при Uзи = 3В;
		1,1 10−3
5)	R =	2,5					= 5 кОм	при Uзи = 4В.
		0,5 10−3

Строим график характеристики транзистора как переменного резистора, в соответствии с полученными значениями, см. рис. 5.

Рис. 5. Характеристика полевого транзистора как переменного резистора

9

ЗАДАЧА № 2

В качестве задания контрольной работы № 2 (Задача №2) необходимо решить одну из задач согласно варианту из таблицы 4. По выбранному варианту из таблицы 5 выбирается соответствующая задача, для решения которой необходимо знание процессов, протекающих в схеме (если она есть) и описывающих эти процессы формул.

Для решения задачи № 2 предлагается использовать литературу [3, 4, 5, 6, 7].

									Таблица 4
N						n
	1	2	3	4	5		6	7	8	9	0
четное	1	2	3	4	5		6	7	8	9	10
нечетное	11	12	13	14	15		16	17	18	19	20

Таблица 5

	№
	Задачи	Дано	Найти	Рисунок
	по
	варианту
		Iнас=1 мкА(германий);
	1	Iнас=10-8 А (кремний);	Uпр Si,Ge	–
		Т=293 К, Iпр =100 мА
		Iнас=25 мкА;
	2	Uпр=0,1 В;	Rпр, rд	–
		Т=300 К
		Iнас1=10-14 А;
		T=300 К(27 0С);
	3	Iнас2=10-9 А;	Uпр1, Uпр2	–
		Т=398 К(125 0С);
		Iпр =1 мА
		Iнас=2 мкА;
	4	Е=0,2 B;	R	–
		UR=0,1 B;
		T=300 К
	5	–	Uвых

10