Схемотехника аналоговых электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ312В. Транзистор КТ312В - кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n типа, 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 = +85 0С при Тс = - 40 0С	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…+85 0С

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

Схема включения биполярного транзистора:

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

Описание схемы:

Входной сигнал UВХ подается на базу транзистора через конденсатор СБ. Усиленный сигнал UВЫХ снимается с резистора RК и через конденсатор СК подается в нагрузку. Конденсатор СБ исключает влияние источника сигнала на режим работы транзистора по постоянному току. Емкость конденсатора CБ выбирают такой, чтобы его сопротивление в полосе пропускания усилителя было пренебрежимо мало по сравнению с входным сопротивлением каскада. Конденсатор СК исключает 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 СБ и СК 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, RБ2 и сопротивлением RЭ в 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

Rэ =0,2*430=86 Ом.

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

Уравнение нагрузочной прямой имеет вид:



,

.

Нагрузочную прямую построим по двум точкам:

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

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

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

.

По рисунку 2 определим значение IКрт:

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 условия IД = (3ч10) 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:

Определим величины резисторов RБ1 и RБ2:

.

.



.

По номинальному ряду Е24 выбираю RБ2=1 кОм

Пересчитаем ток делителя:

.

,

По номинальному ряду Е24 выбираем RБ1 = 91 Ом

4. Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивление h11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистора h21Э и выходную проводимость h22Э.

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 ДUБЭ симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы ДIБ (рисунок 5).

,



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 ДIБ и определим соответствующее приращение тока коллектора ДIК (рисунок 6

,

,

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 ДUКЭ и определим соответствующее приращение тока коллектора ДIК (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 ДUКЭ может быть достаточно большим, при этом его симметричность относительно рабочей точки не имеет значения.

,

.

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 = (1ч10)·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: биполярный транзистор ток коллектор

,



где - емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база UКБ = .

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 фК не нормируется.

Диффузионная емкость эмиттерного перехода (16):

,

Для данного транзистора fгр = 120 МГц, тогда:

,

Крутизна транзистора (17):

,

,

6. Расчет 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):

,

7. Оценка 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 m с учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Максимальная амплитуда UВЫХ m будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке UКЭ рт и разности напряжений UB - UКЭ рт (рисунок 9):

UВЫХ m = UB - UКЭ РТ = 9,517-7,78=1,74В



Построим сквозную характеристику каскада - зависимость тока коллектора IК от напряжения база-эмиттер UБЭ, для чего предварительно заготовим таблицу 2.

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 таблице ДIБ - 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 IК1 - IК9 занесем 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.

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 UБЭ, IК из таблицы, построим сквозную характеристику каскада, (рисунок 11), и определим наибольшую амплитуду входного сигнала UБЭm.



При подаче на вход каскада гармонического колебания с амплитудой UБЭm напряжение база-эмиттер будет изменяться в пределах от UБЭ рт - UБЭm (точка A на рисунок 11) до UБЭ рт + UБЭm (точка B на рисунок 11). При увеличении амплитуды входного напряжения UБЭm точки A и B будут удаляться от рабочей точки симметрично по оси напряжений. Найдем такое положение точек A и B, при котором они будут максимально удалены от рабочей точки, но не будут заходить на явно нелинейные участки сквозной характеристики. Нанесем точки A и B на график сквозной характеристики и запишем полученное значение максимальной амплитуды входного сигнала UБЭm=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.

Для использования метода пяти ординат построим на сквозной характеристике точки C и D, которые должны быть удалены от рабочей точки на половину амплитуды напряжения входного сигнала. В результате на сквозной характеристике получим пять равноудаленных по оси напряжений точек A, B, РТ, C и D, ординаты которых iA, iB, IК рт, iC, iD, используются при расчете коэффициентов гармоник.

iA = 6 мА

iB = 28 мА

IК РТ = 19 мА

iC = 13 мА

iD = 24 мА

Коэффициент второй гармоники (24):

,



Коэффициент третьей гармоники (25):

,

Коэффициент четвертой гармоники (26):

,

Интегральный коэффициент гармоник (27):

,

8. Выбор резисторов и конденсаторов

Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора RК определяется по формуле (28):

,

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера RЭ(29):

,

Мощность, рассеиваемая резистором RБ1 в цепи базы транзистора (30):



,

Мощность, рассеиваемая резистором RБ2 в цепи базы транзистора (31):

,

Допускаемое отклонение сопротивления резистора от номинального значения следует выбирать с учетом его влияния на значимые параметры каскада. Поскольку от сопротивления резисторов RБ1, RБ2, RЭ существенно зависит режим работы каскада, а от сопротивления резистора RК - коэффициент усиления каскада по напряжению, то требования к допуску на сопротивление этих резисторов должны быть достаточно жесткими. Рекомендуется допуск 5%. Допускаемые отклонения от номинального значения сопротивления резисторов стандартизованы.

С2-33Н ОЖО.467.173 ТУ, ОЖО.467.093 ТУ -- резистор общего применения, всеклиматического исполнения для ручной и автоматизированной сборки аппаратуры, предназначен для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

R1 С2-33Н -0,125 20 кОм5%

R2 С2-33Н -0,125 3,9 кОм5%

R3 С2-33Н -0,125 1,6 кОм5%

R4 С2-33Н -0,125 320 Ом5%

R5 С2-33Н -0,125 2,2 кОм5%

Для выбора конденсаторов прежде всего необходимо знать их емкость. Рассчитаем емкость конденсаторов СБ,СК,СЭ , полагая нижнюю граничную частоту полосы пропускания каскада fн = 50 Гц. Сразу после расчета соответствующей емкости выберем ближайшее большее значение по ряду Е6 . Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20 %, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20 % больше рассчитанного значения. Если это условие не выполняется, то следует взять следующее большее значение емкости по ряду Е6.

Емкость конденсатора CБ (33):

,

По ряду Е6 -

Емкость конденсатора CК (34)

,

По ряду Е6 - Ф

Емкость конденсатора CЭ (35):

,

По ряду Е6 - 6,8 мФ.

Для выбора конденсаторов необходимо также рассчитать рабочие напряжения, при которых они будут работать в усилителе. Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы СБ (36):

,

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора СК (37):

,



Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера СЭ (38):

,

Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20 %, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20 % больше рассчитанного значения.

Конденсатор К 50-24 ОЖО.464.137 ТУ -- конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые. Малогабаритные, с высокими удельными емкостями, превосходящие по данному показателю конденсаторы К50-12, К50-20 и другие в 2 - 4 раза. Находят широкое применение в стационарной и переносной бытовой радиоэлектронной аппаратуре: магнитофоны, электрофоны, телевизоры.

Конденсаторы К50-15 ОЖО.464.185 ТУ - конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока.

С1 К50-15- 10 мкФ

С2 К50-15 - 2,2 мкФ

С3 К50-24- 6,8 мкФ

Номинальные постоянные напряжения конденсаторов стандартизованы. Не следует применять конденсаторы с номинальным напряжением, значительно превышающем рабочее, так как при этом необоснованно увеличатся масса, габариты и стоимость усилителя.



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы нами был рассчитан типовой усилительный каскад на биполярных транзисторах, включенном по схеме с общим эммитером. Закрепили теоретические знания, полученные при изучении дисциплины; сформировали углубленное понимание физических процессов в усилительных устройствах; изучили методы расчета усилительных устройств и их основных параметров; ознакомились с элементной базой аналоговых электронных устройств.

Так же в ходе работы были сделаны следующие вычисления: выбор режим работы транзистора, при помощи нахождения рабочей точки на семействе выходных характеристик; определение h-параметов транзистора по статическим характеристикам: входное сопротивление, статический коэффициент передачи тока базы, входная проводимость, коэффициент обратной связи по напряжению, рассчитали параметры элементов схемы по напряжению: емкость коллекторного перехода, напряжение коллектора-базы в рабочей точке, входное сопротивление транзистора, сопротивление коллекторного перехода транзистора, сопротивление эмиттерного перехода для тока эмиттера и для тока базы, сопротивление базы транзистора, диффузионная емкость эмиттерного перехода; рассчитали основные параметры каскада: коэффициент усиления по напряжению, току, мощности, входное сопротивление каскада и выходное сопротивление каскада; оценили нелинейные искажения каскада; так же выбрали резисторы и конденсаторы, которые представлены в перечне элементов. Так же представлена принципиальная электрическая схема проектируемого усилительного каскада.



Список литературы

1 Матвиенко, В.А. Основы схемотехники : методические указания к курсовой работе / В.А. Матвиенко. - Екатеринбург : УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010. - 33 с.;

2 Резисторы: Справочник / В. В. Дубровский, Д. М. 2. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др.: Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991.;

3 Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/ К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л.Перельмана.- М.: Радио и связь, 1981.;

4 Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. - М. : Радио и связь, 1983. - 576 с.;

5 Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - Спб. : КОРОНА принт,1998.;

6 Булычев А.Л. Электронные приборы / А.Л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов.- М.: Лайт Лтд, 2000.

Размещено на Allbest.ru

...