1. Цель курсовой работы
advertisement
Министерство образования Российской Федерации ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ Электроника Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения направления 654200 – Радиотехника по специальностям: 200700 – Радиотехника; 201600 – Радиоэлектронные системы Екатеринбург 2002 УДК 621.381 Составители В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко Научный редактор доц., канд. техн. наук А.А. Калмыков ЭЛЕКТРОНИКА: Методические указания к выполнению курсовой работы/ В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. 37 с. Методические указания предназначены для студентов специальностей 200700 – Радиотехника, 201600 – Радиоэлектронные системы. В указаниях определено содержание курсовой работы, даны пояснения по выбору варианта задания, приведен библиографический список для выполнения расчетов, входящих в содержательную часть пояснительной записки. Приводятся рекомендации по выполнению курсовой работы, порядок ее оформления и защиты. Библиогр.: 25 назв. Табл.3. Рис. 10. Прил.3. Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем». ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ, 2002 1. Цель курсовой работы Цель курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Электроника», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а также в активизации самостоятельной учебной работы студентов, в развитии навыков выполнения информационного поиска, пользования справочной литературой, определения параметров эквивалентных схем биполярных и полевых транзисторов, в создании разностороннего представления 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 следует рассчитать параметры эквивалентных схем транзистора и малосигнальные параметры транзистора, графоаналитическим методом определить основные параметры усилительного каскада. 2. Задание на курсовую работу Номер задания на курсовую работу состоит из трех цифр: N1, N2, N3, равных соответственно последним трем цифрам номера зачетной книжки (N1 – последняя цифра, N2 – предпоследняя цифра, N3 – третья цифра от конца номера зачетной книжки), где N1 – определяет тип активного элемента, его схему включения (табл.1); Таблица 1 Схема включения N1 Тип активного элемента 0 БТ ОЭ 1 ПТ ОИ 2 БТ ОЭ 3 ПТ ОИ 4 БТ ОЭ 5 ПТ ОИ 6 БТ ОЭ 7 ПТ ОИ 8 БТ ОЭ 9 ПТ ОИ 3 N2 – задает конкретный серийно выпускаемый активный элемент и значение напряжения источника питания усилительного каскада (табл.2); Таблица 2 N1 N2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 ГТ 320Б 10 В КТ 301Ж 5В ГТ 321Е 10 В КТ 315В 20 В КТ 603А 20 В КТ 904А 25 В КТ 312А 15 В КТ 602А 50 В ГТ 309Д 10 В КТ 603Д 15 В 1 2П 303Е 15 В КП 313А 15 В КП 314А 25 В КП 903А 20 В КП 902Б 30 В КП 350А 15 В КП 314А 20 В КП 901А 30 В КП 350Б 10 В КП 903В 15 В 2 2Т 301Е 15 В ГТ 305В 10 В КТ 315Б 15 В КТ 603В 15 В КТ 602А 40 В ГТ 313Б 10 В КТ 603Б 20 В ГТ 309Б 6В КТ 312Б 30 В ГТ 308А 10 В 3 2П 101А 8В 2П 307А 15 В 2П 336Б 20 В 2П 802А 50 В 2П 341А 15 В 2П 364Е 20 В 2П 201Г 10 В 2П 601А 20 В КП 323А 15 В 2П 340Б1 20 В 4 ГТ КТ ГТ КТ ГТ КТ КТ ГТ ГТ КТ 330Е 5В 312А 15 В 321Е 10 В 315Б 20 В 310Б 10 В 603Д 20 В 616А 20 В 322А 10 В 310В 10 В 315В 25 В 5 2П 2П 2П 308Г9 336Б1 307Г 20 В 15 В 25 В КП 323А 15 В 2П 201Б 10 В КП 364Г 20 В 2П 303Е 10 В КП КП 364А 901А 20 В 25 В 2П 914А 40 В 6 КТ 602А 20 В ГТ 321Е 10 В КТ 904А 30 В ГТ 310В 5В КТ 312Б 25 В ГТ 321Е 10 В КТ 315В 10 В ГТ 320Б 10 В КТ 301Ж 15 В ГТ 305Б 12 В 7 2П 307А КП 302Б 2П 312А 2П 702А КП 801А 2П 101В 2П 341А 2П 308Д 2П 333А 2П 364А 15 В 20 В 20 В 50 В 40 В 10 В 10 В 25 В 45 В 25 В 8 КТ 306А 15 В КТ 325А 15 В ГТ 702А 40 В КТ 904А 20 В КТ 903А 40 В КТ 630Е 50 В ГТ 402А 20 В ГТ 309А 10 В КТ 340Б 20 В КТ 345А 15 В 9 2П 201Г 10 В КП 302А 15 В 2П 333А 40 В 2П 341А 12 В 2П 601А 15 В 2П 914А 35 В 2П 101Д 10 В 2П 201Г 8В 2П 2П 336Б1 702А 25 В 40 В 4 N3 указывает на значения резисторов в выходной цепи активного элемента (коллектора или стока) и нагрузки, которая подключается к усилительному каскаду через разделительный конденсатор (выходная цепь усилительного каскада) (табл.3). Все усилительные каскады работают в линейном режиме от активного источника сигнала Таблица 3 N2 0,1 2,3 4,5 6,7 8,9 N3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R, кОм 0,75 1,0 1,5 1,8 1,6 2,7 1,3 1,2 0,75 0,15 RH, кОм 1,5 2,0 2,4 2,2 2,0 2,0 1,8 1,5 1,3 0,51 R, кОм 1,2 1,3 1,6 2,2 3,0 3,3 2,7 0,51 1,3 2,4 RH, кОм 1,0 2,2 1,8 1,5 4,3 5,1 3,6 1,3 2,4 3,6 R, кОм 1,2 1,3 1,6 2,2 3,0 3 2,7 0,5 1,3 2,4 RН, кОм 1,0 2,2 1,8 1,5 4,3 5,1 3,6 1,3 2,4 3,6 R, кОм 0,42 1,8 2,7 0,62 1,5 1,6 2,2 1,3 2,7 2,0 RН,кОм 0,75 2,2 2,0 1,0 2,4 1,8 1,5 2,2 3,6 1,8 R, кОм 0,62 2,7 0,15 7,5 5,1 3,3 6,8 2,2 1,6 2,7 RН, кОм 1,2 2,0 0,51 5,1 3,6 2,0 5,6 1,8 3,0 3,3 Примечание. Если в имеющейся справочной литературе студент не смог найти необходимые для курсовой работы характеристики транзистора, допускается замена транзистора на аналогичный по типу и мощности (по согласованию с преподавателем). 5 3. Содержание курсовой работы 1. Определить номер задания на курсовую работу и исходные данные: тип транзистора, величину напряжения питания ЕП, сопротивления резисторов коллекторной (стоковой) цепи RК (RС) и нагрузки RН. Схема включения транзистора - с общим эмиттером (истоком) и резистивно-емкостной связью с нагрузкой. Выбрать схему цепи питания и стабилизации режима работы транзистора, обосновать свой выбор. 2. Найти и выписать электрические справочные параметры, данные: предельные описание транзистора, эксплуатационные данные, семейства входных и выходных характеристик, зависимости параметров транзистора от режимов работы и рабочей частоты. 3. Построить нагрузочную прямую по постоянному току (с пояснением выбранного способа построения нагрузочной прямой). Если для заданного значения RК (RС) не удается использовать весь динамический диапазон рабочего режима транзистора, необходимо изменить значение RК (RС) (по согласованию с преподавателем) таким образом, чтобы полнее использовать статические выходные характеристики заданного транзистора. При этом необходимо изменить и значение резистора нагрузки, выбрать его равным RН 2RК (RС). Номинал резисторов должен соответствовать стандартному ряду. 4. Выбрать положение рабочей точки (режим покоя), определить величины элементов цепи питания и стабилизации рабочего режима. 5. Определить малосигнальные параметры транзистора в окрестностях рабочей точки. 6. Определить величины элементов эквивалентной схемы транзистора. 7. Определить граничные и предельные частоты транзистора. 8. Для биполярного транзистора записать выражения для модулей Y21(), Y11() и построить графики этих зависимостей от частоты. 6 9. Для полевого транзистора записать выражения для модулей Y-параметров и построить графики данных зависимостей от частоты. 10.Вычислить сопротивление нагрузки транзистора по переменному току и построить нагрузочную прямую по переменному току, сохраняя выбранное положение рабочей точки. 11.Построить сквозную характеристику транзистора и графически определить наибольшую величину амплитуды входного сигнала Uвх.н. 12.Графически определить динамические параметры усилительного каскада для двух величин амплитуды входного сигнала: UВХ1=Uвх.н, Uвх2=Uвх.н/2; и двух значений сопротивления нагрузки: RН1=; RН2=RН (в соответствии с техническим заданием на курсовую работу). Рассчитать аналитически динамические параметры усилительного каскада, сравнить их с результатами расчетов графоаналитическим методом. 13.Оформить пояснительную записку в соответствии с требованиями ГОСТа к технической документации. 14.Оформить чертежи и рисунки в соответствии с требованиями ЕСКД на отдельных листах и приложить их к пояснительной записке. Привести электрическую принципиальную схему усилительного каскада, перечень элементов. 4. Методические указания к выполнению курсовой работы Проектирование технического технического задания согласно (ТЗ), проектов. ЕСКД включает технического При учебном в себя предложения, составление эскизного проектировании и основные характеристики технического задания выдаются преподавателем. С целью развития самостоятельности студентов эти характеристики задаются не в полном объеме, и первым этапом выполнения курсовой работы является анализ 7 технического задания и его уточнение. Уточнение ТЗ проводится в соответствии с интересами студента и его наклонностями, но таким образом, чтобы они не вступали в противоречие с пунктами ТЗ. При этом в качестве источников могут быть использованы различные нормативные материалы, ГОСТы, каталоги, РТМ, инструкции, описания, технические условия выпускаемых промышленностью приборов, справочная литература, статьи, патенты. В результате уточнения ТЗ могут устанавливаться требования к вспомогательным устройствам, механические и климатические требования, эксплуатационные требования, требования по надежности и т.п. На стадии технического предложения выполняют анализ ТЗ, осуществляют подбор необходимой литературы, приводят и сравнивают различные варианты структурных схем усилительных каскадов. При эскизном и техническом проектировании обосновывается выбранная структурная схема каскада. На этом этапе структурная схема может уточняться, видоизменяться по сравнению со стадией технического предложения. Обоснование проводится путем сопоставления различных вариантов и их оценки с точки зрения технических и экономических требований. На этапе технического проектирования студент должен выполнить расчет по определению параметров активного элемента и всего усилительного каскада. Следующий раздел проектирования заключается в разработке принципиальной схемы усилительного каскада. На этом этапе проводится электрический расчет схемы с обоснованием выбранной элементной базы. Составляется перечень элементов к принципиальной схеме. Результаты выполнения курсовой работы оформляются в виде пояснительной записки объемом 15 - 20 листов формата А4 (210 х 297). Титульный лист следует оформить в соответствии с прил. 1. Пояснительная записка должна быть написана в сжатой форме, с четкими формулировками и определениями. Применяемые термины должны соответствовать стандартным или являться общепринятыми в технической литературе. В библиографическом 8 списке должны быть указаны источники любой вводимой в курсовую работу информации (стандарты, РТМ, справочники и т.д.) в последовательности появления в тексте библиографических ссылок. Все графики вычерчиваются на миллиметровой бумаге. При проведении окончательные расчетов расчетные следует формулы, приводить выполнять в общие явном и виде подстановку числовых значений, указывать размерности. Решения должны сопровождаться краткими пояснениями. В записке необходимо привести принципиальную схему, выполненную в соответствии с требованиями ЕСКД на белой или миллиметровой бумаге стандартного размера. Перечень элементов схемы рекомендуется выполнять на отдельном листе в соответствии с ГОСТом (прил. 2). Защита курсовой работы является заключительным этапом учебного проектирования и проводится перед комиссией. В ходе защиты студент кратко докладывает о выполнении ТЗ, отмечая наиболее важные решения в курсовой работе, отвечает на поставленные членами комиссии вопросы. Рекомендуется следующий порядок выполнения работы 1. Возьмите 2 - 3 справочника по транзисторам (см. библиографический список) разных лет издания (в более ранних найдете статические характеристики, в поздних - полнее представлены параметры и зависимости параметров от режима работы транзистора). Выпишите электрические параметры транзистора миллиметровую бумагу (с указанием перенесите условий семейства их измерения). входных и На выходных характеристик (при необходимости для более удобного графического определения параметров вблизи рабочей точки измените масштабы по осям). Перерисуйте также зависимости граничной частоты, постоянной времени обратной связи от режима (при их наличии). Не забудьте указать источники информации в библиографическом списке пояснительной записки и ссылкой в тексте. 9 2. На семействе выходных характеристик постройте нагрузочную прямую по постоянному току согласно ее уравнению: а) для схемы включения биполярного транзистора (рис. 1, 2, СС – разделительный конденсатор) E П U КЭ RК и нагрузочная прямая строится по двум точкам: при IК = 0, UКЭ = ЕП и при IК UКЭ = 0, IК = ЕП/RК . -EП RК RБ CС CС VT UВЫХ RН UВХ Рис. 1. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и фиксированным током базы -EП RК CС R1 CС VT UВХ RН R2 UВЫХ Рис. 2. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и фиксированным напряжением база-эмиттер 10 Для схемы включения биполярного транзистора, представленной на рис. 3, предварительная нагрузочная прямая определяется уравнением IК E П U КЭ RК и строится по двум точкам: при IК = 0, UКЭ = ЕП и при UКЭ = 0, IК = ЕП/RК. После выбора величины резистора RЭ положение нагрузочной прямой уточняется (поясняется ниже). -EП RК СС R1 Сэ CС VT UВХ R2 RЭ RН СЭ UВЫХ ХХХ Рис. 3. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией б) для схем включения полевого транзистора, представленных на рис. 4, 5, нагрузочная прямая определяется уравнением IС E П U СИ RС и строится по двум точкам: при IС = 0, UСИ = ЕП и при UСИ = 0, IС = ЕП/RС. В случае выбора схемы с автосмещением, т.е. схемы, в которой напряжение смещения обеспечивается за счет резистора в цепи истока (рис. 6, 7), уравнение нагрузочной прямой преобразуется к виду IС E П U СИ . RС R И 11 Строится нагрузочная прямая по двум точкам: при IС = 0, UСИ = ЕП и при UСИ = 0, IС = ЕП/(RС+RИ). Но сначала нагрузочная прямая строится в соответствии с уравнением IC = (EП-UСИ)/RС для оценки ориентировочного значения тока стока IС в рабочем режиме. После определения величины RИ положение нагрузочной прямой уточняется (пояснения приведены ниже). +EП RС R1 CС CС VT R2 UВХ UВЫХ RН Рис. 4. Схема включения МДП - транзистора с встроенным каналом с общим истоком +EП RС R1 CС CС VT UВХ RН R2 UВЫХ Рис. 5. Схема включения МДП - транзистора с индуцированным каналом с общим истоком 12 +EП RС CС CС VT UВХ + R2 RИ CИ RН UВЫХ - Рис. 6. Схема включения полевого транзистора с управляющим p – n переходом с общим истоком и автоматическим смещением +EП RС CС R1 CС UВХ VT R2 RН UВЫХ + U0 - RИ CИ Рис. 7. Схема включения полевого транзистора с управляющим p – n переходом с общим истоком, автоматическим смещением и делителем напряжения 3. Для обеспечения возможности контроля и корректировки вычислений записи всех расчетов проводите по образцу - аналогу: U U1 217 37 R 2 20 МОм. I 2 I1 14 5 10 6 4. Выберите на нагрузочной прямой режим покоя (рабочую точку). Зафиксируйте параметры режима покоя. Кроме обеспечения заданного смещения, необходимо принимать специальные меры по стабилизации исходной рабочей точки. Цель стабилизации – предотвращение сильных 13 нелинейных искажений и тепловой неустойчивости транзисторов (особенно биполярных), а также уменьшение нестабильности параметров усилительного каскада. Схема стабилизации положения рабочей точки выбирается самостоятельно, а в пояснительной записке приводится обоснование выбора положения рабочей точки и схемы ее стабилизации: а) для биполярного транзистора рабочую точку выберите примерно посередине между режимами отсечки и насыщения в точке пересечения нагрузочной прямой с ближайшей выходной характеристикой. При отсутствии таковой - достройте дополнительную(ые) характеристику(и) с учетом закономерностей хода характеристик, приведенных в справочнике. Зафиксируйте параметры режима покоя – IБ0, UБЭ0, I0К, UКЭ0 . Этот режим работы транзистора задается или током базы IБ0, или напряжением смещения UБЭ0. При использовании схемы стабилизации с фиксированным током базы (см. рис.1) в цепь базы включают резистор RБ большого номинала, в этом случае ток базы будет достаточно стабильным: I Б ( E П U БЭ ) / RБ . Таким образом, исходя из необходимого тока смещения можно определить величину резистора смещения: E U БЭ 0 . RБ П I Б0 Величину резистора RБ рекомендуется выбирать из стандартного ряда номиналов, как это поясняется в прил. 3. Для получения фиксированного напряжения смещения на базе транзистора применяется резисторный делитель напряжения (см. рис.2), а конкретные значения величин R1 и R2 выбираются исходя из необходимой величины U БЭ E П R2 . Эта схема называется схемой стабилизации с R1 R2 фиксированным напряжением смещения базы. Выберите ток делителя IД, протекающий через R2 , из условия IД = (10 - 20) IБ0 и определите величины сопротивлений резисторов R1, R2: R1 E П U БЭ 0 , I Д I Б0 R2 14 U БЭ0 . IД Порядок выбора значений резисторов и их допустимой мощности рассеяния изложен в прил. 3. Для того чтобы в цепи базы не появился дополнительный постоянный ток от источника сигнала (а это может привести к искажению величины начального тока смещения), в цепи базы устанавливают разделительный конденсатор СС (номинал СС в курсовой работе не рассчитывается). В схеме эмиттерной стабилизации рабочей точки (см. рис. 3) используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина резистора RЭ, задающего обратную связь, определяется из условия RЭ = (0,1-0,3)ЕП/I0Э. Значение тока эмиттера I0Э I0К соответствует рабочему режиму, который выбирается по предварительной нагрузочной прямой, построенной для схемы рис. 3. После определения величины резистора RЭ по методике прил. 3, для схемы рис.3 уточняется положение нагрузочной прямой. В этом случае нагрузочная прямая определяется уравнением IК Е П U КЭ R К RЭ и строится нагрузочная прямая по двум точкам: при IК = 0, UКЭ = ЕП и при UКЭ = 0, IК = EП/(RК+RЭ). В результате коррекции нагрузочной прямой с учетом резистора RЭ уточняется положение рабочей точки. Затем выберите ток делителя IД, протекающий через R2, из условия IД = (3-10)IБ0 и определите величины резисторов R1, R2 по следующим соотношениям: U RЭ I Э RЭ I 0 К RЭ , R2 U БЭ 0 U RЭ , IД U R 2 U БЭ 0 U RЭ , R1 E П U R2 ; I Д I Б0 б) для полевого транзистора рабочую точку выберите примерно посередине рабочего участка (участка насыщения) в точке пересечения нагрузочной прямой с ближайшей выходной характеристикой. При отсутствии 15 таковой - достройте дополнительную(ые) характеристику(и) с учетом закономерностей хода характеристик, приведенных в справочнике. Зафиксируйте параметры режима покоя: UЗИ0, IС0, UСИ0. В полевых транзисторах смещение обеспечивается или за счет падения напряжения на резисторе, включенном в цепь истока, или за счет подачи на затвор дополнительного напряжения. У полевых транзисторов с управляющим p–n переходом (см. рис.6,7) и с встроенным каналом смещение может быть обеспечено за счет сопротивления в цепи истока. Поскольку ток затвора полевых транзисторов достаточно мал и мало падение напряжения на резисторе R2, то можно считать U ЗИ 0 I С 0 R И . Стабилизация тока осуществляется за счет последовательной отрицательной обратной связи, которая вводится с помощью резистора RИ. Нежелательная обратная связь на переменном токе устраняется путем шунтирования резистора RИ конденсатором большой емкости СИ (номинал СИ не рассчитывается). Такие схемы (см. рис.6, 7) называются схемами истоковой стабилизации или автоматического смещения. Для того чтобы обеспечить работу транзистора в заданном режиме, при выборе схемы истоковой стабилизации (см. рис.6) определите величину резистора в цепи истока RИ: U R И ЗИ 0 , IС0 в случае необходимости иметь повышенное входное сопротивление усилительного каскада резистор R2 берут порядка 1 – 10 МОм. Значение тока стока IСО в рабочем режиме выбирается по предварительной нагрузочной прямой для схемы рис. 6, построение которой поясняется в п. 2б. В результате определения значения резистора RИ (см. прил. 3) уточняется положение нагрузочной прямой на основании уравнения IС Е П U СИ , RС R И 16 построение которой поясняется в п. 2б настоящих методических указаний. Для уточненной нагрузочной прямой корректируется положение рабочей точки: UЗИ0, IС0, UСИ0. Для того чтобы обеспечить работу полевого транзистора с управляющим p-n переходом в заданном режиме, при выборе схемы стабилизации с автоматическим смещением и делителем напряжения (см. рис.7) необходимо выбрать величину резистора в цепи истока RИ: RИ = (0,1-0,3)ЕП/IИ0, определить дополнительные параметры: токозадающую разность потенциалов U0, соотношение величин резисторов R1, R2 делителя: U RИ I И 0 RИ I С 0 RИ , R1 E П U 0 . R2 U0 U 0 U ЗИ 0 U RИ , Величина резистора R2 выбирается из диапазона сотни кОм – единицы МОм (для обеспечения высокого входного сопротивления каскада), а величина резистора R1 – рассчитывается. Порядок выбора резисторов излагается в прил. 3. Для схемы рис.7 уточняется положение нагрузочной прямой по методике, изложенной для схемы рис. 6. Если необходимо зафиксировать положение рабочей точки для МДП – транзистора с встроенным каналом, можно использовать делитель напряжения (см. рис. 4), в этом случае определяют соотношение величин резисторов: R1 E П U ЗИ R2 U ЗИ 0 0 , из которого вычисляют величину резистора R1, задавшись величиной R2 (сотни кОм – единицы МОм); можно использовать делитель напряжения и истоковую стабилизацию (подобно рис. 7), в этом случае расчет аналогичен приведенному выше для полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При использовании МДП – транзисторов с индуцированным каналом необходимо подавать на затвор напряжение смещения той же полярности, что и напряжение питания. Оно подается с помощью резистивного делителя R1, R2 17 и должно превышать пороговое напряжение, при котором образуется канал и начинается протекание тока стока (см. рис. 5). Расчет резисторов аналогичен приведенному выше для МДП – транзисторов с встроенным каналом. 5. Графически определите малосигнальные параметры транзистора в окрестностях рабочей точки: а) Н-параметры для биполярного транзистора по семейству входных и выходных характеристик: H11Э U БЭ I Б U КЭ CONST - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока; H 21Э I К I Б U КЭ CONST - коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока; H 22 Э I К U КЭ I Б CONST - выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи); для всех типов биполярных транзисторов независимо от положения рабочей точки принять H 12 Э 3 10 4 - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока. Для повышения точности расчетов приращения IК, IБ, UБЭ, UКЭ возьмите симметрично относительно рабочей точки транзистора в режиме покоя; б) статические параметры полевого транзистора по семейству выходных (стоковых) характеристик: S I С U ЗИ Ri U СИ I С U СИ CONST U ЗИ CONST - крутизна характеристики полевого транзистора; - внутреннее сопротивление транзистора; 18 S Ri - статический коэффициент усиления. Для повышения точности расчетов приращения IС, UЗИ, UСИ возьмите симметрично относительно рабочей точки в режиме покоя. 6. Рассчитайте величины элементов эквивалентной схемы транзистора: а) определите параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора, которая представлена на рис. 8. CК Б’ rБ Б rК К CЭ rБЭ SUВХ rКЭ Э Э Рис. 8. Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто) Вычислите параметры схемы Джиаколетто, воспользовавшись следующими соотношениями: C К C К пасп U КБ пасп U КБ - барьерная емкость коллекторного перехода; rКЭ 1 H 22 Э - выходное сопротивление транзистора; 25 mB Ом rЭ I Э 0 mA rК rКЭ H 21Э 1 - сопротивление коллекторного перехода; - сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току; 19 rБЭ rЭ H 21Э 1 - сопротивление эмиттерного перехода базовому току; rБ 1,5 ОС СК - распределенное сопротивление базы, где ОС – постоянная времени обратной связи транзистора; ориентировочное значение rБ можно определить по формуле rБ Н12Б/Н22Б; CЭ 1 - диффузионная емкость эмиттерного перехода, 2 f Т rЭ где Т – граничная частота транзистора; (СЭ С К ) (rБ rБЭ ) СЭ rБ - собственная постоянная времени транзистора; S H 21Э H 11Э - крутизна транзистора; б) определите параметры эквивалентной схемы полевого транзистора, которая представлена на рис. 9. CЗС З U’ЗИ СЗК SU’ЗИ С Ri CСИ RКАН И И Рис. 9. Эквивалентная схема полевого транзистора На эквивалентной схеме рис. 9 введены обозначения: 20 ССИ – емкость между стоком и истоком – выходная емкость (справочные данные); СЗС – емкость между затвором и стоком – проходная емкость (справочные данные); СЗК – емкость между затвором и каналом (справочные данные); Ri – внутреннее сопротивление транзистора; S – крутизна характеристики транзистора; RКАН – среднее сопротивление канала полевого транзистора, которое приближенно оценивается из соотношения RКАН = rК/4, где rК – сопротивление канала в рабочей точке, определяемое по формуле rК = UСИ0/IС0; UСИ0 – напряжение сток-исток в рабочей точке, IС0 – ток стока в рабочей точке. 7. Определите граничные и предельные частоты транзистора: а) выпишите из справочника для биполярного транзистора значения граничных и предельных частот, например, гр = Т, оцените граничную частоту из соотношения: Т = |Н21Э| изм - граничная частота усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, где |Н21Э| - модуль коэффициента передачи по току на высоких частотах, изм - частота, на которой он измерен (справочные данные); б) рассчитайте граничные и предельные частоты биполярного транзистора, воспользовавшись следующими соотношениями: f fТ H 21Э 1 - предельная частота в схеме включения транзистора с общим эмиттером; f 1.5 f Т - предельная частота в схеме включения транзистора с общей базой; 21 f ГЕН fS fТ 8 С К rБ - максимальная частота генерации; 1 - предельная частота транзистора по крутизне; 2 в) рассчитайте граничные и предельные частоты полевого транзистора, воспользовавшись следующими соотношениями: S = 1/(2RКАН СЗК), где S – предельная частота проводимости прямой передачи полевого транзистора – это частота, на которой S уменьшается в 2 раз по сравнению со значением статической крутизны на нулевой частоте; ГР = S/(2ССИ), где ГР – граничная частота усиления полевого транзистора – это частота, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен единице, S – статическая крутизна характеристики полевого транзистора на нулевой частоте. 8. Оцените частотные зависимости Y-параметров транзисторов: а) определите частотные зависимости модулей Y21(), Y11() биполярного транзистора, воспользовавшись соотношениями: Y21 ( ) S 1 () 2 - проводимость прямой передачи, которую определяют при коротко замкнутом для переменной составляющей выходе транзистора; 22 Y11 ( ) 1 1 ( ) 2 H11Э 1 ( S ) 2 входная - проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора, где 2, S = 2S . Постройте графики зависимостей Y21() и Y11(), задаваясь значениями (максимальное значение частоты должно быть (10 – 100)S; б) определите частотные зависимости системы Y-параметров полевого транзистора, используя следующие соотношения: ( S ) 2 CЗК Y11( ) j СЗС 2 2 RКАН (1 ( S ) ) 1 ( S ) - входная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора; Y12 ( ) j C ЗС - проводимость обратной передачи, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора; Y21 ( ) S0 j C ЗС - проводимость прямой передачи, которую 1 j ( S ) определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора; Y22 ( ) 1 j (CСИ С ЗС ) Ri - выходная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора. В приведенных соотношениях приняты следующие обозначения: RКАН - среднее значение сопротивления канала полевого транзистора; СЗК – емкость между затвором и каналом; 23 СЗС – емкость между затвором и стоком; ССИ – емкость между стоком и истоком; Ri - внутреннее сопротивление полевого транзистора; S – статическая крутизна характеристики полевого транзистора (при = 0); S = 2S – предельная частота проводимости прямой передачи. При отсутствии некоторых справочных данных необходимо определить недостающие параметры косвенным образом. В соответствии с выражениями для Y-параметров постройте их зависимости от частоты (максимальное значение частоты должно быть (10-100)S. 9. Определите сопротивление нагрузки транзистора по переменному току: а) оцените значение сопротивления нагрузки биполярного транзистора по переменному току из соотношения R~ RК RН RК RН /( RК RН ) ; б) оцените значение сопротивления нагрузки полевого транзистора по переменному току из соотношения: R~ RС RН RС RН /( RС RН ) . 10. Постройте нагрузочную прямую транзистора по переменному току на семействе выходных характеристик: а) нагрузочная прямая по переменному току биполярного транзистора проходит через точку режима покоя (Iок, Uкэо) и через точку с координатами Iк = 0; Uкэ = Iок R~+Uкэо; б) нагрузочная прямая по переменному току полевого транзистора проходит через точку режима покоя (IС0, UСИ0) и через точку с координатами IС = 0, UСИ = IС0 R~+UСИ0. 11. С использованием нагрузочной прямой по переменному току на выходных характеристиках транзистора постройте сквозную характеристику: 24 Iк = (Uбэ); Iс = (Uзи). Под сквозной характеристикой транзистора понимается зависимость амплитуды переменной составляющей выходного тока от значения амплитуды переменной составляющей входного напряжения. Вид сквозной характеристики транзистора представлен на рис. 10. По сквозной характеристике транзистора найдите наибольшую величину входного напряжения Uвх. н, при которой максимально охватывается вся переменная часть сквозной характеристики ( рис. 10, участок ВАС). 12. Определите динамические параметры усилительного каскада для двух величин амплитуды входного сигнала Uвх: Uвх1 = Uвх. н ; Uвх2 = Uвх. н/2 и двух значений сопротивления нагрузки Rн: Rн1 = ; Rн2 = Rн (в соответствии с техническим заданием): а) рассчитайте динамические параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе с использованием графоаналитического метода: Ki I К I Б - коэффициент усиления по току; Ku U КЭ U БЭ - коэффициент усиления по напряжению; 25 Iвых Imax I2 С а с I0 в I1 А В Imin 0,5Uвх. н Uвх 0,5Uвх. н Uвх. н Рис. 10. Сквозная характеристика транзистора K Р РВЫХ РВХ U КЭ I К U БЭ I Б K u K i - коэффициент усиления по мощности, где приращение U БЭ U ВХ и соответствующее ему приращение I Б определяются по входной характеристике биполярного транзистора, а приращения I К , U КЭ - по нагрузочной прямой для постоянного и переменного токов (в зависимости от значения сопротивления нагрузки) на семействе выходных характеристик вблизи режима покоя транзистора; б) оцените динамические параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе с помощью аналитических соотношений: Кi = H21Э/(1+Н22ЭR~) – коэффициент усиления по току, при RН = необходимо подставлять вместо R~ значение RК; 26 Кu = H21ЭR~/H11Э – коэффициент усиления по напряжению, при RН = вместо R~ необходимо подставлять значение RК ; Кp = Н 212 Э R~ Н 11Э (1 Н 22Э R~ ) - коэффициент усиления по мощности, при RН = вместо R~ необходимо подставлять значение RК; в) рассчитайте динамические параметры усилительного каскада на полевом транзисторе с использованием графоаналитического метода: Кu = Uси/Uзи – коэффициент усиления по напряжению, где приращения UЗИ = UВХ; UСИ = UВЫХ следует выбирать по нагрузочной прямой для постоянного и переменного токов (в зависимости от значения сопротивления нагрузки) на семействе выходных (стоковых) характеристик вблизи режима покоя полевого транзистора; г) оцените динамические параметры усилительного каскада на полевом транзисторе с помощью аналитических соотношений: SДИН = (SRi)/(Ri+R~) – динамическая крутизна полевого транзистора, Кu = SДИНR~ - коэффициент усиления по напряжению, при RН = вместо R~ необходимо подставлять значение RС. 13. Оцените нелинейные искажения в усилительном каскаде на транзисторе. Нелинейные обусловленные искажения кривизной – это изменения характеристик формы транзисторов, колебания, диодов, полупроводниковых конденсаторов, интегральных микросхем и других элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое колебание. На этом и основана их простейшая оценка с помощью коэффициента гармоник, или коэффициента нелинейных искажений. 27 Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники: KГ U 22 U 32 U 42 U1 , где U1, U2, U3 и т.д. – действующие значения отдельных гармоник выходного напряжения. Этот коэффициент можно оценить методом пяти ординат по сквозной характеристике (называемый также методом Клина по имени его автора) [8, с.52], который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоник входного сигнала. K Г K Г2 2 K Г2 3 , где K Г 2 - коэффициент второй гармоники; K Г 3 - коэффициент третьей гармоники, определяются графически. Для этого на сквозной характеристике отмечают пять точек (см. рис. 10), соответствующих точке покоя (нулевая амплитуда входного сигнала), наибольшей амплитуде входного сигнала UВХ. Н (с учетом обеих полуволн), половине наибольшей амплитуды входного сигнала, т.е. (1/2)UВХ. Н (тоже с учетом обеих полуволн). По этим точкам вычисляют значения отрезков a , в , с , тогда K Г2 14. 3 (а в) , 4 (а в с) K Г3 а в 2с . 2 (а в с) В "Выводах и замечаниях по работе" желательно отразить: - анализ полученных результатов, - что, на ваш взгляд, наиболее полезно для вас как результат выполнения данной курсовой работы, - что вызвало наибольшие трудности, - затраты вашего времени на выполнение. 28 Список литературы Учебники и учебные пособия 1. Электронные приборы.: Учебник для вузов/ В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с. 2. Батушев В.А. Электронные приборы.: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1980. 383 с. 3. Пасынков В.В., Чиркин А.К. Полупроводниковые приборы.: Учебник для вузов. 5-е изд., испр.- СПб.: Издательство «Лань», 2001. 480 с. 4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991. 621 с. 5. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства.:М.: Радио и связь, 1992. 304 с. 6. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1977. 672 с. 7. Остапенко Г.С. Усилительные устройства.: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1989. 400 с. 8. Цыкин А.В. Электронные усилители.: Учеб. пособие для техникумов связи. 2-е изд., перераб. М.: Радио и связь, 1982. 288 с. 9. Электронные приборы: Учебник/ А.Л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов. Минск: Высшая школа, 1999. 415 с. Справочники 1. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД.: Справочник. М.: Изд-во стандартов, 1989. 325 с. 2. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник/ Под ред. А.В. Голомедова. 2-е изд., стереотип. М.: Радио и связь, изд. фирма "КУбК-а", 1994. 384 с. 29 3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/ Под ред. А.В. Голомедова. 2-е изд., стереотип. М.: Радио и связь, изд. фирма "КУбК-а", 1994. 640 с. 4. Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Дополнение первое: Справочник. М.: Рикел, Радио и связь, 1994. 232 с. 5. Резисторы: Справочник/ Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. 2-е изд. М.: Радио и связь, 1991. 246 с. 6. Электронная техника и радиоэлектроника: Справ. пособие. М.: Изд-во стандартов, 1991. 168 с. 7. Электроника: Энцикл. словарь/ Гл. ред. В.Г. Колесников. М.: Сов. энцикл., 1991. 688 с. 8. Нефедов А.В., Гордеева В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 400 с. 9. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1985. 904 с. 10.Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1985. 560 с. 11.Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоиздат, 1982. 904 с. 12.Транзисторы для аппаратуры широкого применения.: Справочник/ Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656 с. 13.Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1976. 744 с. 14.Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1972. 568 с. 30 15.Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры/ Под ред. Р.Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1972. 856 с. 16.Транзисторы и полупроводниковые диоды: Справочник/ Под общ. ред. И.Ф. Николаевского. М.: Связьиздат, 1963. 646 с. 31 Оглавление 1. Цель курсовой работы ............................................................................................ 3 2. Задание на курсовую работу .................................................................................. 3 3. Содержание курсовой работы ............................................................................... 6 4. Методические указания к выполнению курсовой работы ................................. 7 Список литературы ................................................................................................... 29 Приложение 1 Образец оформления титульного листа ...................................... 33 Приложение 2 Образец оформления перечня элементов ................................... 34 Приложение 3 Порядок выбора резисторов в схеме усилительного каскада .. 35 32 Приложение 1 Образец оформления титульного листа Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем» Оценка работы Члены комиссии УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ( Вариант № 832 ) КУРСОВАЯ РАБОТА ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 200700 000000 202 П3 Подпись Дата Ф.И.О. Руководитель Сидоров С.П. Студент Павлов И.П. Группа: Р-294 Номер зачетной книжки 963238 Екатеринбург 2003 33 Приложение 2 Образец оформления перечня элементов Поз. обозначение Наименование Кол. Примечание 1 2 3 4 Резисторы R1 МЛТ-0,125-24кОм10% 1 R2 МЛТ-0,125-920 Ом10% 1 RК МЛТ-0,125-1,5кОм10% 1 RН МЛТ-0,125-2,4кОм10% 1 Транзистор VT Изм Лист 2Т301Е № докум. Разраб. Павлов И.П. Пров. Сидоров С.П. Н. контр. Утверд. 1 Подп Дата Лит. Схема электрическая принципиальная цепи питания транзистора Перечень элементов 34 К Лист Листов 2 2 УГТУ-УПИ Р-294 Приложение 3 Порядок выбора резисторов в схеме усилительного каскада Резисторы общего назначения имеют диапазон номинальных сопротивлений 1 Ом – 10 МОм, номинальные мощности рассеяния – 0.125 - 100 Вт. Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения имеют следующие пределы: 1; 2; 5; 10; 20%. Для оценки свойств резисторов используются следующие основные параметры: номинальное сопротивление; допустимое отклонение величины сопротивления от номинального значения (допуск); номинальная мощность рассеяния; предельное напряжение; температурный коэффициент сопротивления; коэффициент напряжения; уровень собственных шумов; собственные емкость и индуктивность. Номинальное сопротивление резистора RН – это электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в сопроводительной документации. ГОСТ 2825-67 устанавливает для резисторов шесть рядов номиналов сопротивлений: Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192 (цифра указывает число номинальных сопротивлений в ряду). Числовые коэффициенты, умножаемые на любое число кратное 10, для постоянных резисторов общего применения по наиболее применяемому на практике ряду Е24, имеют значения: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1. Допуск - максимально допустимое отклонение реальной величины сопротивления резистора от его номинального значения, которое выражается в процентах. Номинальная мощность рассеяния резистора РН – это наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать в течение гарантированного срока службы при сохранении параметров в установленных пределах. Для нормальной работы резистора необходимо, чтобы мощность, выделяемая на 35 резисторе в данной электрической цепи, не превышала номинальной мощности рассеяния: РН РПОТР или РН I2R. Существуют различные обозначения резисторов. Наиболее широкое применение нашли металлопленочные лакированные теплостойкие резисторы, которые имеют обозначения, например, МЛТ, ОМЛТ, С2-23, С2-33 и т.д. Пример расчета сопротивления резистора, выбора номинала и допустимой мощности рассеяния: R Е П U БЭ 24 0,74 387,6 10 3 Ом 6 I Б0 60 10 ближайшим номиналом по ряду Е24 является резистор R = 390 кОм. Мощность, потребляемая резистором, составляет значение: РR = (6010-6)2 3901031,4 мВт На основании вышеприведенных расчетов можно выбрать резистор, например, марки С2-23, сопротивлением R = 390 кОм и номинальной мощностью рассеяния РН = 125 мВт (РН >> PR), что обеспечивает надежную работу резистора в схеме. Более подробную информацию о резисторах можно получить в справочнике [5 ]. 36 ЭЛЕКТРОНИКА Составители: Елфимов Вячеслав Ильич Устыленко Наталья Степановна Корректор Л.Ю. Козяйчева Подписано в печать 18.02.2002 Формат 6084 1/16 Бумага писчая Усл.печ.л. 2,09 Офсетная печать Уч.-изд.л. 1,45 Тираж 100 Заказ Цена «С» Редакционно-издательский отдел ГОУ УГТУ-УПИ 62002, Екатеринбург, ул.Мира, 19 Типография ЗАО “УМЦ УПИ”
