Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Курсовая работа «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

.docx
Скачиваний:
54
Добавлен:
15.03.2016
Размер:
987.47 Кб
Скачать

Введение

Курсовая работа по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» 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;

- получение навыков информационного поиска и пользования справочной информацией;

- ознакомление с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности;

- усвоение правил составления и оформления технической документации.

Выполнение данной курсовой работы призвано активизировать самостоятельную работу студентов, и является важным этапом в формировании профессиональных компетенций.

1 Исходные данные

Тип транзистора

КТ312В

Напряжение источника питания, E

15 В

Сопротивление в цепи коллектора, RК

430 Ом

Сопротивление нагрузке, RН

620 Ом

Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ312В. Транзистор КТ312В - кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-nтипа, используемый для усиления и генерирования колебаний высокой частоты, для работы в быстродействующих импульсных схемах.

Таблица 1 - Электрические параметры транзистора КТ312В

Наименование

Обозначение

Значения

min

типовое

max

1.1. Обратный ток эмиттера при Uэ=4В, мкА

I эбо

0,1

10

1.2. Обратный ток коллектора, мкА

I кбо

0,2

10

1.3. Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме малого сигнала

h21б

3·10-9

1.4. Модуль коэффициента передачи на высокой частоте - 20 М Гц

|h21э|

6

9

1.5. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

при Тс = +850С

при Тс = - 400С

h21э

50

50

25

280

560

280

1.6. Емкость коллекторного перехода, пФ (при Uк=10 В)

Ск

3,5

5

1.7. Постоянная времени цепи ОС на высокой частоте, пс

500

Таблица 2: Максимально допустимые параметры. Гарантируются при температуре окружающей среды Тс = –40…+850С

Iк max– постоянный ток коллектора, мА

30

Iк и max– импульсный ток коллектора, мА

60

Uк бmax– постоянное напряжение коллектор-база, В

20

Uкэ max – постоянное напряжение коллектор-эмиттер

(при Rб 100Ом), В

20

Uбэ max– постоянное напряжение эмиттер-база, В

4

Pк max – постоянная рассеиваемая мощность (Тс25), мВт

225

R п мах- температура перехода,0С / мВт

0,4

Допустимая температура окружающей среды, 0С

-60…+120

Таблица 2: Входные и выходные характеристики биполярных транзисторов.

Транзисторы

Входные характеристики

Выходные характристики

1

2

3

КТ312,

КТ312Б,

КТ312В,

2 Выбор режима работы транзистора

2 Выбор режима работы транзистора

Схема включения биполярного транзистора:

Рисунок 1 - Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией

Описание схемы:

Входной сигнал UВХподается на базу транзистора через конденсаторСБ. Усиленный сигналUВЫХснимается с резистораRКи через конденсаторСКподается в нагрузку. КонденсаторСБисключает влияние источника сигнала на режим работы транзистора по постоянному току. Емкость конденсатораCБ выбирают такой, чтобы его сопротивление в полосе пропускания усилителя было пренебрежимо мало по сравнению с входным сопротивлением каскада. КонденсаторСКисключает влияние нагрузки на режим работы транзистора по постоянному току. Емкость конденсатора СК выбирают такой, чтобы его сопротивление в полосе пропускания усилителя было пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки.

Конденсаторы СБиСК называют переходными или разделительными. В первом случае подчеркивается их роль по переменному току, а во втором случае – по постоянному току.

Режим работы транзистора по постоянному току задается делителем

напряжения в цепи базы RБ1,RБ2и сопротивлениемRЭв цепи эмиттера. Делитель напряжения должен быть достаточно низкоомным, чтобы возможные в процессе эксплуатации изменения тока базы транзистора (например, при изменении температуры окружающей среды, смене транзистора и т. п.) не приводили к заметному изменению напряжения на базе транзистора.

На семействе выходных характеристик транзистора, рисунок 3, построим нагрузочную прямую по постоянному току. Сопротивление в цепи эмиттера возьмём из соотношения: RЭ = 0,2 RК.

Такое сопротивление обеспечит достаточно высокую стабильность рабочей точки и не сильно уменьшит коэффициент использования напряжения источника питания.

Rэ=0,2*Rк (1)

Rэ=0,2*430=86Ом.

По номинальному ряду Е24 выбираю Rэ=330Ом. В последующих вычислениях используем стандартное значение сопротивленияRЭ.

Уравнение нагрузочной прямой имеет вид:

,(2)

Нагрузочную прямую построим по двум точкам:

1. при Iк=0, = Uкэ при Iк=0, = Uкэ=15В

2. при Uкэ=0, => при Uкэ=0,=> Iк=0,03A

По формуле (3)рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точкеUКЭ рт:

(3)

По рисунку 2 определим значение IКрт:

Рисунок 2 - Выходные характеристики транзистора КТ208Г

По рисунку 2определим значенияIБ рт иUБЭрт:

Рисунок 3 - Входные характеристики транзистора КТ312Г

Параметры рабочей точки (РТ):

3 Расчет делителя в цепи базы

Рассчитаем сопротивления делителя RБ1, RБ2 в цепи базы. Чем больше будет сквозной ток делителя IД , 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. На практике сквозной ток делителя выбирают из условияIД = (3÷10) IБ рт.

Ток делителя Iд, протекающий через R2 выберем из условия, возьмем:

Iд=5* IБ рт =5*0,15=0,75 мА

Согласно закону Ома, сопротивление резистора составляет:

(4)

Определим величины резисторов RБ1 и RБ2:

(5)

По номинальному ряду Е24 выбираю RБ2=1Ом

Пересчитаем ток делителя:

(6)

По номинальному ряду Е24 выбираем RБ1 = 15 Ом

4 Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивлениеh11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистораh21Эи выходную проводимостьh22Э.

Входное сопротивление (формула 7) при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (UКЭ = const) определим по входным характеристикам транзистора. Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер ΔUБЭ симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы ΔIБ (рисунок 5).

Рисунок 4 - Приращение тока базы и напряжения база-эмиттер

(7)

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора (формула 8) при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (UКЭ = const) определим по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h21Э  зададим приращение тока базы ΔIБ и определим соответствующее приращение тока коллектора ΔIК (рисунок 6

Рисунок 5 - Приращение тока коллектора и тока базы

Выходную проводимость h22 (формула 9) в режиме холостого хода на входе транзистора (IБ = const) определим также как и параметр h21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h22Э  зададим приращение напряжения коллектор-эмиттер ΔUКЭ и определим соответствующее приращение тока коллектора ΔIК (рисунок 7). Условию IБ = const будут отвечать точки, лежащие на выходной характеристике, проходящей через рабочую точку транзистора. Поскольку выходные характеристики линейны в широком диапазоне напряжений, то приращение ΔUКЭ может быть достаточно большим, при этом его симметричность относительно рабочей точки не имеет значения.

Рисунок 6– приращение тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер

Четвертый параметр – коэффициент обратной связи по напряжению h12Э по приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. У маломощных транзисторов коэффициент обратной связи по напряжению h12Э = (1÷10)·10–4.

h12Э =8*10-4=0,0008

5 Определение параметров элементов схемы замещения транистора

Рассчитаем физические малосигнальные параметры П-образной схемы замещения биполярного транзистора (рисунок 8). Эта схема известна также в литературе под названиями «гибридная схема замещения» и «схема

замещения Джиаколетто».

Рисунок 7 – Гибридная схема замещения

Напряжение коллектор-база в рабочей точке UКБ рт рассчитаем по формуле(10):

UКБ рт=15-0,017*430-(0,017+0,00015)-86-0,78 = 4,829 В

Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база UКБ = UКБ рт:

где   – емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-базаUКБ .

Возьмём из справочника=5 пФ и=10В.

Выходное сопротивление транзистора (12):

Сопротивление коллекторного перехода транзистора(13):

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера (14):

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы (15):

Сопротивление базы транзистора возьмем rБ = 100 Ом, так как транзистор малой мощности и средней частоты, значение τК не нормируется.

Диффузионная емкость эмиттерного перехода (16):

Для данного транзистора fгр = 120 МГц, тогда:

Крутизна транзистора (17):

6Расчет основных параметров каскада

Коэффициент усиления по напряжению (18):

Коэффициент усиления по току (19):

Коэффициент усиления по мощности (20):

Входное сопротивление каскада (21):

Выходное сопротивление каскада (22):

7Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току, которая будет проходить через рабочую точку и точку B(рисунок 5) с напряжением (23):

Оценим максимальную амплитуду выходного напряжения каскада UВЫХ mс учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Максимальная амплитудаUВЫХ mбудет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точкеUКЭ рти разности напряженийUB  UКЭ рт(рисунок 9):

UВЫХ m =UB  UКЭ РТ = 9,517-7,78=1,74В

Рисунок 10 – Cемейство выходных характеристик

Построим сквозную характеристику каскада – зависимость тока коллектора IКот напряжения база-эмиттерUБЭ, для чего предварительно заготовим таблицу2.

Сквозную характеристику строим по нагрузочной прямой по переменному току. Количество столбцов в таблице будет равно количеству точек пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора. В таблицеΔIБ– 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 (рисунок 10). Полученные значения тока коллектора IК1IК9занесем в таблицу.

Напряжения база-эмиттер, соответствующие токам IК1–IК9, можно найти по входной характеристике транзистора (рисунок 10), для чего на оси токов надо отложить значения токов базы из таблицы, спроецировать их на входную характеристику, а затем – на ось напряжений база-эмиттер. Точность отсчета напряжений база-эмиттер будет крайне низкой.

Рисунок 11 – Входная характеристика

Полученные значения напряжений база-эмиттер u1 – u6 занесем в таблицу.

Таблица 3 – Свод данных

IБ, мА

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,30

UБЭ, В

0,61

0,717

0,75

0,76

0,79

0,81

0,818

IК, мА

0,02

6

13

18

23

27,4

31,2

Используя пары значений UБЭIК из таблицы, построим сквозную характеристику каскада, (рисунок 11), и определим наибольшую амплитуду входного сигнала UБЭm.

UБЭ m

UБЭ m

Рисунок 12– Зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер

При подаче на вход каскада гармонического колебания с амплитудой UБЭmнапряжение база-эмиттер будет изменяться в пределах от UБЭ рт UБЭm(точкаAна рисунок 11) доUБЭ рт +UБЭm(точкаBна рисунок 11). При увеличении амплитуды входного напряженияUБЭmточкиAиBбудут удаляться от рабочей точки симметрично по оси напряжений. Найдем такое положение точекAиB, при котором они будут максимально удалены от рабочей точки, но не будут заходить на явно нелинейные участки сквозной характеристики. Нанесем точкиAиBна график сквозной характеристики и запишем полученное значение максимальной амплитуды входного сигналаUБЭm=0,03. 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.