Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Комп’ютеризовані системи
Кафедра:
Автоматики
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Методичні вказівки для виконання контрольної роботи
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання контрольної роботи
з навчальної дисципліни
«Електроніка та мікросхемотехніка»
для студентів стаціонарної та заочної форми навчання
базового напряму 6.0914 « Комп’ютеризовані системи, автоматика і управління» та базового напряму 050201 «Системна інженерія»
Затверджено
на засіданні кафедри комп’ютеризованих систем
автоматики
Протокол №10 від 23 червня 2008 р.
ЛЬВІВ – 2008
Методичні вказівки до виконання контрольної роботи з навчальної дисципліни „Електроніка та мікрохемотехніка”, Ч.2 для студентів базового напряму 6.0914 «Комп’ютеризовані системи, автоматика і управління» та базового напряму 050201 «Системна інженерія» / Укл. О.С. Вітер, Р.В. Проць. – Львів: Видавництво Національного університету „Львівська політехніка”, 2008. 79с.
Укладачі Вітер О.С., канд. техн. наук, доц.
Проць Р.В., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний
за випуск Наконечний А.Й., д-р техн. наук, проф.
Рецензенти: Мичуда З.Р., д-р. техн. наук, проф. Голинський В.Д., канд. техн. наук, доц.
Зміст
Вступ……………………………………………………………...…….....……5
1. Основне завдання розрахунку електричної схеми……..………..…6
1.1. Вимоги до точності розрахунків……………..……….…..…..….6
1.2. Порядок розрахунку електронних схем……………………...….7
1.3. Послідовність розрахунку електронних схем…………..…..…...8
2. Вибір електрорадіоелементів……..…………………………..…..…...8
2.1. Транзистори……………………………………………….…..…..9
2.2. Напівпровідникові діоди…………………….…………...…..….10
2.3. Резистори…………………………………………….….….....….10
2.4. Конденсатори…………………………………………......….…..10
2.5. Мікросхеми……………………………………..……........……..12
3. Основні параметри підсилювальних елементів…………...…...….12
3.1. Основні характеристики і параметри біполярного транзистора………………………………………………………………........12
3.2. Основні характеристики і параметри польового
транзистора……………………………..………………………………....….16
3.3. Основні параметри і характеристики
операційного підсилювача………………………………………..…..…...…16
4. Розрахунок електронних вузлів і пристроїв ……………..…...….18
4.1. Розрахунок каскадів попереднього підсилення……….….…..…18
4.1.1. Розрахунок транзисторного каскаду підсилення
в схемі зі спільним емітером…………………………………………..….....18
4.1.1.1. Розрахунок транзисторного каскаду підсилення
в схемі зі спільним емітером за постійним струмом………………………18
4.1.1.2. Розрахунок транзисторного каскаду підсилення
в схемі зі спільним емітером за змінним струмом………………..………..22
4.1.2. Розрахунок транзисторного каскаду підсилення
в схемі зі спільним колектором…………………………………….……….23
4.1.3. Розрахунок транзисторного каскаду підсилення
в схемі зі спільним колектором і слідкуючим зв’язком….……………..…27
4.1.4. Розрахунок підсилювального каскаду в схемі
зі спільною базою…………………………………………………………….31
4.1.5. Розрахунок каскаду попереднього підсилення на
польовому транзисторі в схемі зі спільним витоком…..……......……..….34
4.1.6. Розрахунок каскаду попереднього підсилення на
польовому транзисторі в схемі зі спільним стоком…..……......…..…..….38
4.1.7. Розрахунок частотних спотворень транзисторного
каскаду підсилення з резистивно-ємнісним зв’язком…………………….41
4.1.8. Розрахунок інвертуючого підсилювача
на операційному підсилювачі……………………..………..….…………….44
4.1.9. Розрахунок неінвертуючого підсилювача
на операційному підсилювачі………………………………………..…....…48
4.2. Розрахунок підсилювачів потужності……………….…….…...…51
4.2.1. Розрахунок однотактного трансформаторного
підсилювача потужності на транзисторі………………………………….…51
4.2. 2. Розрахунок двотактного трансформаторного
підсилювача потужності на транзисторах……………………….……...…54
4.2.3. Розрахунок безтрансформаторного комплементарного підсилювача потужності на транзисторах………………...……..…….…....57
4.2.4. Розрахунок безтрансформаторного квазікомплементарного
підсилювача потужності на складових транзисторах……………………....60
4.2.5. Нелінійні спотворення в підсилювачах потужності
на транзиторах………………………………………………………………...66
4.3. Розрахунок RC-генератора на операційному
підсилювачі з мостом Віна…………………………………………….........69
4.4. Розрахунок компенсаційного стабілізатора
постійної напруги на транзисторах…………………………………….….73
4.5. Розрахунок площі радіатора для відведення тепла від
потужного транзистора………………...……………….……...............…...78
Список літератури…………………………….......………………...…….…80
Додатки
Додаток 1. Номінальні значення опорів резисторів і
ємностей конденсаторів…………………………………………………….82
Додаток 2. Резистори постійні недротяні……………….………………....84
Додаток 3. Змінні резистори………………………………….………….....85
Додаток 4. Конденсатори постійної ємності……………………….……...86
Додаток 5. Кремнієві стабілітрони………………………………..……..…91
Додаток 6. Біполярні транзистори…….…………………………………....92
Додаток 7. Польові транзистори…………….……………………………..94
Додаток 8. Операційні підсилювачі………………………….…………….95
Вступ
Для сучасного етапу науково-технічного прогресу властиве неухильне удосконалення радіоелектронної елементної бази. Особливо зросла роль електроніки з розвитком технології мікросхемотехніки, яка дозволяє суттєво зменшити габаритні розміри і масу електронних пристроїв, автоматизувати процес їх виготовлення, значно підвищити надійність електронних елементів комп’ютеризованих систем. Мікросхемотехніка, яка є основою сучасної обчислювальної, вимірювальної і керуючої техніки, привела до розробки і широкого впровадження нового класу електронних пристроїв – мікропроцесорів і однокристальних мікро-ЕОМ. Широке впровадження мікросхемотехніки привело до розвитку нового етапу комплексної автоматизації – створення гнучких автоматизованих виробництв, для керування якими широко застосовуються мікропроцесори і мікроконтролери. Електроніка та мікросхемотехніка забезпечує автоматизоване керування технологічними процесами, науковими і експериментальними дослідженнями окремими об’єктами.
Навчальна дисципліна „Електроніка та мікросхемотехніка” основана на теоретичних знаннях, які набуті студентами в процесі вивчення фізики, математики, теоретичних основ електротехніки, метрології та вимірювальної техніки. Ця дисципліна є основою для схемотехнічного забезпечення практично всіх наступних навчальних дисциплін і служить для розуміння принципів побудови основних блоків електронних обчислювальних машин, автоматизованих систем керування технологічними процесами, комп’ютеризованих систем та інших технічних засобів автоматики і керування з використанням мікропроцесорів і мікроконтролерів.
Особливості вивчення „Електроніки та мікросхемотехніки” полягає в тому, що це одна з перших дисциплін, яка пов’язує фундаментальні та спеціальні дисципліни, які забезпечують фахову підготовку студентів. Це перший теоретичний курс, який знайомить студентів з конкретними схемотехнічними рішеннями, що складають основу їх майбутньої спеціальності і дозволяють реалізовувати отримані теоретичні знання і розрахунки в конкретних електронних схемах.
Успішне засвоєння дисципліни полягає не тільки в отриманні глибоких теоретичних знань і принципів побудови електронних і мікроелектронних схем, але й в набутті навиків їх розрахунку та аналізу, а також вибору сучасної елементної бази для їх реалізації.
Для дослідження типових вузлів і пристроїв електроніки та мікросхемотехніки необхідно уміти виконувати їх розрахунки, як на дискретних елементах, що дозволяє наочно показати фізичні процеси, які відбуваються в пристрої та в його окремих елементах, так і на інтегральних схемах різного ступеня інтеграції.
Не дивлячись на те, що існують машинні методи схемотехнічного проектування сучасної електронної апаратури, часто виникає необхідність наближеного розрахунку типових електронних вузлів і пристроїв, з наступним уточненням результатів розрахунку за допомогою ЕОМ або експериментальним шляхом. Попередній спрощений розрахунок дозволяє отримати достовірні дані, а виконання розрахунків сприяє поглибленню теоретичних і практичних знань студентів, розвитку технічної інтуїції, формуванню інтелектуальних і практичних навиків спеціалістів з комп’ютеризованих систем автоматики.
1. Основне завдання розрахунку електричної схеми
Основним завданням розрахунків є визначення параметрів електричних компонентів принципової схеми, які забезпечать її ефективну оптимізацію в подальшому. Таким чином, електричний розрахунок дає початкові значення параметрів радіоелектронних пристроїв, які на наступних етапах проектування будуть уточнені. Завдання розрахунку вважають вирішеним, якщо визначені параметри всіх активних і пасивних елементів, а також вибрані їх типи при значеннях вихідних параметрів, які гарантують працездатність електронної апаратури в реальних умовах її експлуатації. Розв’язання завдання далеко не єдине. Для будь-якого електронного пристрою існує деяка множина значень параметрів компонентів, які задовольняють технічні вимоги.
1.1. Вимоги до точності розрахунків
Розрахункові формули, які отримані в результаті аналізу спрощених математичних моделей типових електронних вузлів (ТЕВ), переважно є наближені, а точність їх різна і залежить від кількості та від характеру спрощень.
Оскільки точне значення, яке визначається за формулою є невідоме, то похибку оцінюють порівнюючи результати розрахунку та експерименту. Різниця цього порівняння в (1-5) % сприймається, як свідчення достатньо хорошої якості прийнятої моделі.
Виконуючи розрахунки за наближеними формулами, необхідно дотримуватися правил виконання наближених розрахунків. В контрольній роботі немає необхідності виконувати розрахунки з великою точністю, якщо технічне завдання не вимагає цього.
Наявність стадії макетування дає вагомі підстави вважати, що точність розрахункових формул значно нижча за 1%. Тому при виконанні розрахунків, які проводяться в контрольній роботі, їх точність не повинна перевищувати 1%, це означає, що результат кожного розрахунку буде мати дві правильні значущі цифри.
Фактором, який знижує вимоги до точності розрахунків є обставина, яка полягає в тому, що розрахункові значення для постійних резисторів і конденсаторів необхідно замінити номінальними значеннями, які відповідають стандартним шкалам цих компонентів, а ймовірність точного збігу розрахункового значення з номінальним досить мала.
1.2. Порядок розрахунку електронних схем
Електричні розрахунки ТЕВ виділяються у вигляді окремих параграфів, яким присвоюються конкретні заголовки. Після заголовка формулюється завдання для розрахунку з визначенням, що конкретно необхідно розрахувати. Потім потрібно навести вихідні дані, які необхідні для розрахунку, зокрема, якщо якась величина або позначення появляються в розрахунках вперше, то необхідно дати їм назву.
Потім повинна бути наведена електрична принципова схема ТЕВ, який підлягає розрахунку. Позиційне позначення елементів схеми відображає ознаки електричного кола в якому вони знаходяться або елемента до якого вони під’єднані (наприклад, Rк − резистор в колі колектора, Се − конденсатор в колі емітера і т.д.) або функцію, яку вони виконують (наприклад, Сф − конденсатор фільтра, Rобм − обмежуючий резистор і т.д.). Електричну принципову схему, або її фрагменти для розрахунку, допускається виконувати в довільному масштабі.
Крім розрахункових формул необхідно наводити характеристики окремих елементів, діаграми, таблиці та номограми, які використовуються в розрахунках. При розрахунках у відповідних місцях тексту необхідно робити посилання на літературні джерела, з яких запозичені математичні формули, характеристики, таблиці, номограми, параметри.
При розрахунках резисторів і конденсаторів, крім розрахункового значення відповідної величини, необхідно розраховувати значення допустимих параметрів. Для резисторів такими параметрами є: номінальна потужність, допустиме відхилення від номінального значення у відсотках. Для конденсаторів такими параметрами є: номінальне значення ємності, максимальне значення робочої напруги, допустиме відхилення ємності від номінального значення. При виборі типів резисторів і конденсаторів потрібно також враховувати їх точність, температурну і часову стабільність, надійність, масогабаритні показники і вартість.
1.3. Послідовність розрахунку електронних схем
Розрахунок складного електронного пристрою полягає в послідовному розрахунку типових електронних вузлів, з яких синтезований складний пристрій. Розрахунки виконуються для ТЕВ (підсилювальні каскади, випрямлячі, згладжуючі фільтри і т.д.) і для більш складних розповсюджених електронних пристроїв (стабілізатори, генератори синусоїдальних коливань і т.д.). Розрахунок ТЕВ переважно починають зі сторони його виходу до входу. При розрахунку ТЕВ часто дотримуються такої послідовності:
а) попередній розрахунок вихідних параметрів функціональних елементів, який виконується при виборі їх принципових схем;
б) розрахунки, на основі яких вибираються типи активних елементів (транзистори, діоди, мікросхеми);
в) розрахунки робочих режимів активних елементів, які включають розрахунок температурної нестабільності;
г) розрахунок значень параметрів пасивних елементів, які забезпечують режими активних елементів, а також розрахунок струмів і спадів напруг через пасивні елементи в режимі спокою і розрахунок потужностей, які на них розсіюються;
д) вибір номінальних значень параметрів пасивних елементів та їх типів;
е) розрахунок параметрів електронних пристроїв для перевірки їх відповідності до технічного завдання.
Розрахунки за пунктами а), б) і в) - входять в розрахункову процедуру, а розрахунки за пунктами д) і е) – до її аналізу.
Завдання аналізу найбільш відповідальне, його результат повинен бути достатньо точним. Оскільки аналітичні методи не забезпечують необхідної точності, то аналіз ТЕВ переважно здійснюють на фізичній моделі (макеті) або на ЕОМ за допомогою спеціальних пакетів програм. Необхідно відмітити, що достовірність результатів макетування переважно є вища, ніж отриманих на ЕОМ.
2. Вибір електрорадіоелементів
При розрахунку виникає завдання вибору електрорадіоелементів з надзвичайно широкого їх асортименту. Вважаємо, що стандартний електронний елемент вибраний правильно, якщо номінальне значення його параметрів знаходяться в допустимих межах (рівні, більші або менші) з розрахунковими значеннями цих параметрів, а умови експлуатації відповідають технічним умовам.
2.1. Транзистори
Транзистори є приладами універсального застосування і можуть успішно використовуватися у типових електронних схемах різного призначення, однак їх рекомендується застосовувати за призначенням, яке вказане в довіднику.
За призначенням транзистори поділяються на підсилювальні, перемикаючі (імпульсні), генераторні і спеціальні (лавинні, двоемітерні, здвоєні і т.д.). В довідниках наводяться параметри транзисторів у певних режимах експлуатації. Робочий режим транзистора в пристрої, який підлягає розрахунку, може відрізнятися від вказаного в довіднику. В цьому випадку необхідно за наведеними у довіднику характеристиками визначити параметри транзистора, які відповідають вибраному режиму.
Застосування високочастотних транзисторів у низькочастотних електронних схемах небажано, оскільки вони дорогі, схильні до самозбудження і виникнення вторинного пробою та мають менші експлуатаційні запаси.
Не допускається перевищення максимального допустимого значення напруг, струмів, потужності розсіювання. Для надійної роботи транзистора напруга на його колекторі і потужність повинні складати не більше, ніж (70(80)% від максимально-допустимих значень, або при допустимому значенні тільки одного з наведених параметрів.
Не бажано застосовувати потужні транзистори у тому випадку, коли можна використати малопотужні, оскільки при використанні потужних транзисторів в режимі малих струмів їх коефіцієнт підсилення за струмом малий і сильно залежить від струму колектора і від температури оточуючого середовища. Крім цього, погіршуються масогабаритні і вартісні показники електронного пристрою.
Якщо не має особливих причин для застосування германієвих транзисторів, то краще використовувати кремнієві. Кремнієві транзистори краще працюють при високих температурах, мають більш високі напруги пробою і менші значення зворотних струмів.
Коефіцієнт підсилення за струмом транзистора в схемі зі спільним емітером ( β або h21e ) залежить від колекторного струму і при деякому його значенні досягає максимального значення. Для оптимального підсилення на низьких частотах бажано вибирати значення колекторного струму, при якому коефіцієнт підсилення близький до максимального. В інших випадках потрібно вибирати типове значення коефіцієнта підсилення за струмом, яке вказане в довідниках або дорівнює середньому арифметичному 0,5·() чи геометричному його значенню, якщо у довіднику вказані границі зміни значень β.
2.2. Напівпровідникові діоди
Необхідно застосовувати діоди в залежності від призначення, наприклад в випрямлячах необхідно використовувати випрямляючі діоди, а в імпульсних пристроях – імпульсні діоди і т.д. Зворотна напруга на діоді і прямий струм через нього не повинні перевищувати (70-80)% від максимально-допустимого значення. Робоча частота діода не повинна перевищувати максимального значення, яке вказане в довіднику. Якщо не має особливих міркувань, щодо застосування германієвих діодів, то краще використовувати кремнієві. Кремнієві діоди краще працюють при високих температурах, мають більш високі напруги пробою і менші значення зворотних струмів. В останній час у випрямлячах використовуються діоди Шоткі, які мають в менший спад напруги в прямому напрямку і менше значення зворотного струму, ніж у кремнієвих діодів.
2.3. Резистори
В схемах електронних вузлів, які підлягають розрахунку, в якості різноманітних навантажень, подільників напруги, елементів фільтрів, в колах обмеження струмів і т.д. необхідно застосовувати резистори постійного значення загального застосування. У навчальних розрахунках рекомендується застосовувати резистори загального застосування типів: С2-23 і С2-33. У випадках, коли значення параметрів резисторів загального застосування не задовольняють необхідні вимоги, наприклад, низька точність, мале значення опору, велике значення номінальної потужності, необхідно застосовувати спеціальні постійні резистори (прецизійні, високочастотні, високовольтні, низькоомні і т.д.).
Допустиме відхилення опору від номінального значення необхідно вибирати з урахуванням впливу цього відхилення на вихідних параметрів типового електронного вузла або пристрою.
Змінні резистори необхідного вибирати в залежності від конкретного їх призначення: підналагоджувальні резистори, в яких рухома система розрахована на незначну кількість переміщень (до 1000 циклів), в якості тільки підналагоджувальних, а регулювальні, маса, габарити і вартість яких вищі – в якості регулювальних.
2.4. Конденсатори
Тип електричного конденсатора вибирається за сукупністю вимог: номінального значення ємності, виду і значення робочої напруги та застосування. Якщо конденсатор повинен працювати в колі змінної напруги високої частоти, то необхідно враховувати також тангенс кута діелектричних втрат.
Допустиме відхилення ємності від номінального значення необхідно вибирати з урахуванням чутливості до нього вихідних параметрів конкретної електронної схеми.
Для переважної більшості типів конденсаторів у довідниках наводиться номінальне значення робочої напруги постійного струму. Ефективне значення напруги змінного струму на конденсаторі повинно бути в (1,5–2) рази менше від вказаного значення робочої напруги постійного струму.
При роботі конденсатора в колі пульсуючого струму сума постійної напруги і амплітудного значення змінної напруги на ньому не повинна перевищувати його номінальної робочої напруги.
Оксидні (електролітичні) конденсатори виготовляють двох видів: полярні і неполярні. Полярні конденсатори застосовують лише в тих колах, в яких постійна складова напруги на конденсаторі буде більша від амплітуди змінної складової сигналу. На неполярні конденсатори це обмеження не розповсюджується. Оксидні конденсатори розраховані на робочі напруги від одиниць до декількох сотень вольт, мають велику питому ємність і значення їх ємностей знаходиться в межах від одиниць до сотень тисяч мікрофарад. Полярні оксидні конденсатори не допускають роботи при великих значеннях змінної напруги, переважно допустиме амплітудне значення змінної напруги не перевищує 5В. При застосуванні оксидних конденсаторів у колах пульсуючого або змінного струму, слід врахувати їх нагрівання за рахунок опору втрат конденсатора і вибрати типи конденсаторів з відповідною робочою температурою. Оксидні конденсатори переважно застосовуються в згладжуючих фільтрах, в схемах розділення за постійним струмом, а також в схемах блокування і фільтрації. В навчальних розрахунках рекомендується застосовувати оксидні полярні конденсатори таких типів: К50-6, К50-16, К50-18, К50-20, К50-29, К50-31, К53-7 та інші. В якості оксидних неполярних можна використати, наприклад, конденсатори типів К50-6, К50-15, К52-8.
Не потрібно, без необхідності, застосовувати конденсатори з номінальної напругою, яка значно перевищує робочу, оскільки в цьому випадку значно погіршуються масогабаритні показники і вартість проектованого електронного вузла або пристрою.
При виборі типу конденсаторів, які визначають стабільність і точність часових і частотних параметрів окремих ланок електронної схеми, необхідно застосовувати прецизійні конденсатори з мали значенням температурного коефіцієнта ємності (ТКЄ), наприклад, конденсатори типів: МПО, К71, К73, К77 та інші.
2.5. Мікросхеми
Основною умовою застосування інтегральних мікросхем є строге дотримання режимів роботи, які рекомендовані в технічних умовах на вибрану мікросхему. Це відноситься в першу чергу до значень і полярності напруг живлення, опору навантаження і діапазону температур оточуючого середовища.
Бажано розглянути можливість застосування інтегральних мікросхем загального застосування, які характеризуються низькою вартістю, широким діапазоном напруг живлення, наявністю захисту входу і виходу. Зокрема, при розрахунку підсилювачів низької частоти на операційних підсилювачах (ОП) необхідно надавати перевагу мікросхемам серій: К140, К544, К153. При виборі типів операційних підсилювачів можна користуватися даними, які наведені в додатку 8 або довідковою літературою [15, 22, 23].
Для усунення високочастотної паразитної генерації через спільні кола живлення, до кожного виводу живлення операційного підсилювача рекомендується під’єднати конденсатор ємністю (0,01 – 0,05) мкФ. Для схем, які чутливі до малих значень вхідних напруг і струмів, потрібно передбачити захист входів ОП від струмів витікання, який доцільно виконати у вигляді провідного кільця, друкованої доріжки, яке розташовують навколо входів ОП і з’єднують з спільним виводом схеми. Шини живлення вихідних каскадів слід з’єднати безпосередньо з виходами блоку живлення.
Для захисту входів ОП від викидів диференціального сигналу при перехідних процесах бажано між його входам вмикати два зустрічно-паралельні діоди. Якщо ОП не має вбудованого захисту від короткого замикання на виході, то необхідно послідовно з вихідним виводом ввімкнути резистор з опором біля 200 Ом, а коло зворотного зв’язку під’єднати до другого виводу цього резистора. Таке ввімкнення забезпечує захист ОП від короткого замикання на виході і практично не впливає на вихідний опір схеми.
3. Основні параметри підсилювальних елементів
3.1. Основні характеристики і параметри біполярного транзистора
Для розрахунку електронної схеми на біполярному транзисторі потрібно мати два основні сімейства статичних характеристик: сімейство вхідних характеристик, які відображають залежність Івх= f (Uвх) при різних значеннях напруги на вихідному електроді, і сімейство вихідних характеристик – залежність Івих= f (Uвих) при різних значеннях вхідного струму.
Вхідні і вихідні характеристики біполярного транзистора різні для різних схем ввімкнення. Тому для трьох основних схем ввімкнення транзистора: зі спільною базою (СБ), спільним емітером (СЕ) і спільним колектором (СК), існують три сімейства вхідних і три сімейства вихідних характеристик. Однак, на практиці при розрахунках схем на транзисторах використовують тільки характеристики для ввімкнення з спільною базою і спільним емітером, які наводяться в довідниках.
При розрахунку транзисторного каскаду в схемі зі СБ використовуються вхідні характеристики – залежність струму емітера від напруги між базою і емітером Іе= f (Uбе) для різних значень напруги між колектором і базою Uбк і вихідні характеристики – залежність струму колектор від напруги між колектором і базою Ік= f (Uбк) для різних значень струмів емітера Іе.
При розрахунку транзисторного каскаду в схемі зі СЕ використовуються вхідні характеристики – залежність струму бази від напруги між базою і емітером Іб= f (Uбе) для різних значень напруги між колектором і емітером Uке і вихідні характеристики – залежність струму колектор від напруги між колектором і емітером Ік= f (Uке) для різних значень струмів емітера Іб.
До власних параметрів транзистора, які характеризують властивості транзистора незалежно від схеми його ввімкнення, відносять:
при Uкб = const ( диференціальний коефіцієнт передачі емітерного струму транзистора при ввімкнення в схемі зі СБ ;
( об’ємний опір бази;
при Uк=const ( диференціальний опір емітерного переходу , (Т ( температурний потенціал, який при температурі Тос=20оС складає (Т ≈ 25 мВ;
при Ie = const ( диференціальний опір колекторного переходу;
Ік0 ( тепловий (зворотний) струм колектора;
( ємність (бар’єрна) колекторного переходу.
Частотні властивості біполярного транзистора визначаються такими параметрами:
fα ( гранична частота підсилення транзистора в схемі зі СБ , це частота на якій коефіцієнт підсилення за струмом α зменшується в разів;
fβ ( гранична частота підсилення транзистора в схемі зі СЕ , це частота на якій коефіцієнт підсилення за струмом β зменшується в разів fβ = fα / (1+β);
fмакс ( максимальна частота генерації, це частота на якій коефіцієнт підсилення за потужністю дорівнює одиниці Кр=1;
fгр ( гранична частота підсилення, це частота на якій коефіцієнт підсилення за струмом в схемі зі СЕ дорівнює одиниці β=1.
Використовуючи ці параметри можна отримати Т-подібну еквівалентну схему заміщення транзистора для змінного струму в схемі зі СБ (рис.3.1).
Рис.3.1. Рис.3.2.
На цій схемі опір бази має дві складові , де ( об’ємний опір бази; ( дифузійний опір бази, який зумовлений впливом колекторної напруги на емітерну в результаті модуляції товщини бази. Об’ємний опір бази залежить від конфігурації бази (її активної і пасивної частин) і матеріалу, переважно знаходиться в межах rб ( (100 ( 200) Ом. Для високочастотних транзисторів об’ємний опір бази може бути визначений через сталу часу кола зворотного зв’язку на високій частоті , яка наводиться в довідниках. В цьому випадку . У випадку, коли в довідниках відсутні дані про значення об’ємного опору бази, то в розрахунках можна приймати типові значення для об’ємного опору бази: для германієвих транзисторів і для кремнієвих транзисторів.
Дифузійна складова опору бази може мати достатньо велике значення і визначається наступною формулою
де ( дифузійний опір емітера ().
Еквівалентна схема транзистора в схемі зі СЕ наведена на рис.3.2. Підсилювальні властивості транзистора визначаються генератором струму , де множником при струмі бази Іб є коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером . Коефіцієнт підсилення струму бази транзистора дорівнює відношенню приросту струму колектора до відповідного приросту струму бази при сталій напрузі на колекторному переході.
при .
Коефіцієнт β можна визначити через коефіцієнт підсилення струму в схемі зі СБ α за таким виразом .
Значення опору колекторного переходу для схеми зі СЕ в цій еквівалентній схемі буде значно менше ніж і буде визначатися виразом
Значення опорів кола колектор-емітер (для схеми зі СЕ) або колектор-база (для схеми зі СБ) на низьких частотах залежать від конструкції і технології виготовлення транзистора і не завжди наведені в довідниках. Тому їх переважно визначають графоаналітичним способом за допомогою дотичної, яка проводиться через точку спокою на вихідній характеристиці для відповідної схеми ввімкнення транзистора. На проведеній дотичній, як гіпотенузі, будуємо прямокутний трикутник, один з катетів якого відповідає приросту струму колектора , а другий відповідному приросту напруги на колекторі (для схеми зі СЕ) або (для схеми зі СБ). Значення опору колекторного переходу визначаємо, як відношення приросту напруги або до відповідного приросту струму колектора . Для схеми зі спільною базою , а для схеми зі СЕ . У розрахунках для малопотужних кремнієвих транзисторів можна приймати rк 1 МОм.
Значення ємності Ске, яка шунтує резистор буде значно більшим і складає
Значення опорів резисторів і ємностей для розглянутих схем зі СБ і СЕ будуть різні, але сталі часу в обох схемах ввімкнення будуть однакові .
Максимальне значення колекторної ємності колектор-база Ск наводиться в довідниках і складає: для низькочастотних транзисторів (20–50) пФ, а для високочастотних – (1–2) пФ.
3.2. Основні параметри і характеристики польового транзистора
Польові транзистори використовуються в трьох схемах ввімкнення: зі спільним витоком (СВ), зі спільним затвором (СЗ) і зі спільним стоком (СС). Для розрахунку електронної схеми на польовому транзисторі потрібно мати два основні сімейства статичних характеристик: сімейство стокових характеристик, які відображають залежність струму стоку від напруги на між стоком і витоком Іс= f (Uсв) при різних значеннях напруги між затвором і витоком Uзв = const, і сімейство стоково-затворних характеристик – залежність струму стоку від наруги на затворі Іс= f (Uзв) при різних значеннях напруги сток-витік Uсв = const.
Основні параметри, які використовуються при розрахунках: статична крутизна стоково-затворної характеристики ( S; внутрішній опір кола стік-витік ( rсв; напруга відсічки ( Uвід, це напруга на затворі при якій струм стоку дорівнює нулю; максимальний струм стоку ( Іс.макс , це струм стоку при нульовій напрузі на затворі, струм витікання затвору ( Із.вит, це зворотний струм затвору при заданій напрузі між затвором та іншими виводами, які з’єднані між собою. Частотні параметри польового транзистора: максимальна частота підсилення ( fмакс; ємність між затвором і витоком ( Сзв (вхідна ємність); ємність між затвором і стоком ( Сзс (прохідна ємність); ємність між стоком і витоком ( Ссв (вихідна ємність). Значення параметрів S і rсв, які використовуються для розрахунку каскаду на польовому транзисторі, бажано визначати в точці спокою за сімействами статичних характеристик транзистора.
3.3. Основні параметри і характеристики операційного підсилювача
Основні параметри операційного підсилювача (ОП), які використовуються при розрахунках:
Коефіцієнт підсилення за напругою Кu0 ( відношення зміни вихідної напруги до відповідної зміни вхідної напруги, значення якого переважно складає .
Вхідна напруга зміщення нуля Uзм ( найбільша небажана напруга, яка виникає в середині підсилювача і є причиною появи на виході ОП деякої напруги при нульовій напрузі на обох входах. Це напруга, яку потрібно прикласти до входів ОП, щоб на виході встановити нульову напругу. Переважно значення вхідної напруги зміщення складає .
Вхідний струм зміщення Івх ( струм на вході підсилювача, який необхідний для роботи транзисторів вхідного каскаду ОП. Для вхідних каскадів, які виконані на біполярних транзисторах переважно знаходиться в межах від сотень нА до одиниць мкА.
Різниця вхідних струмів (Івх ( різниця вхідних струмів зміщення транзисторів ОП, яка виникає внаслідок нерівності коефіцієнтів підсилення за струмом ( вхідних транзисторів. Значення різниці вхідних струмів приблизно в (4..10) разів менше від Івх і знаходиться в діапазоні (одиниці ( сотні) нА.
Вхідний диференціальний опір Rвх.д ( опір підсилювача між двома входами ОП, який переважно складає: (сотні кОм ( одиниці МОм). Вхідний синфазний опір Rвх.син ( це опір між об’єднаними входами і спільною точкою схеми. Вхідний синфазний опір переважно складає
Вихідний опір Rвих ( внутрішній опір підсилювача, який визначається відношенням зміни вихідної напруги до зміни струму навантаження. Типове значення Rвих становить 200 Ом.
Мінімальний опір навантаження Rн.мін ( опір навантаження, при якому ще зберігаються номінальні параметри ОП. Переважно складає Rн.мін=(1–2) кОм.
Температурний дрейф напруги зміщення (Uзм /(Т ( зміна напруги зміщення при зміні температури. Знаходиться в межах (0,1 ( 50) мкВ / оС.
Середній температурний дрейф вхідного струму (Івх /(Т ( зміна вхідного струму при зміні температури.
Середній температурний дрейф різниці вхідних струмів (((Івх)/(Т ( зміна різниці вхідних струмів при зміні температури.
Максимальна швидкість наростання вихідної напруги Vmax ( максимальна швидкість зміни напруги на виході операційного підсилювача при стрибкоподібній зміні вхідної напруги. Знаходиться в межах
Максимальна додатна ( U+ і максимальна від’ємна ( U- напруги на виході ОП при вибраних значеннях напруг живлення ± Еж.
При розрахунках використовується також амплітудно-частотна характеристики операційного підсилювача.
4. Розрахунок електронних вузлів і пристроїв
4.1. Розрахунок каскадів попереднього підсилення
4.1.1. Розрахунок транзисторного каскаду підсилення в схемі зі спільним емітером
4.1.1.1. Розрахунок транзисторного каскаду в схемі зі спільним емітером за постійним струмом
Для розрахунку такої схеми повинні бути задані: Rг – опір джерела вхідного сигналу; Uвих.m – амплітудне значення вихідної напруги; Rн – опір навантаження, fн – значення нижньої робочої частоти; fв – значення верхньої робочої частоти; Мн[дб] і Мв[дб] – коефіцієнт частотних спотворень на нижній і верхній частотах в децибелах; Тос.мін,, Тос.макс – мінімальна і максимальна температура оточуючого середовища. Схема каскаду наведена на рис.4.1.1.
Рис.4.1.1. Схема транзисторного каскаду в схемі зі спільним емітером
Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні
Вибираємо значення струму колектора транзистора в режимі спокою
Приймаємо значення струму спокою колектора і знаходимо мінімальне значення напруги між колектором і емітером транзистора в режимі спокою
де – напруга насичення транзистора, яка залежить від значення колекторного струму і матеріалу з якого виготовлений транзистор. Переважно напруга насичення для малопотужного транзистора складає
Задаємося спадом напруги на емітерному резисторі в режимі спокою і записуємо вираз для розрахунку значення напруги живлення підсилювального каскаду
Звідси отримуємо формулу для напруги живлення підсилювального каскаду
Приймаємо значення напруги живлення (див. додаток 1).
При виборі типу транзистора керуємося такими вимогами:
Вибираємо тип транзистора і використовуємо такі його електричні параметри: βмін; ; rк; ; ; ; Cк.
Розраховуємо значення опору резистора в колі емітера
Номінальні значення розрахованих резисторів вибираємо з стандартного ряду Е24 (див. додаток1).
Розраховуємо значення опору резистора в колі колектора
Визначаємо значення струму бази транзистора в режимі спокою
Задаємося струмом базового подільника напруги і розраховуємо значення опорів резисторів і
де – значення відповідних параметрів транзистора при мінімальній температурі оточуючого середовища.
Визначаємо еквівалентний опір базового подільника напруги
.
Розраховуємо значення коефіцієнта температурної нестабільності
Розраховуємо значення приросту зворотного струму колектора при зміні температури оточуючого середовища в заданому діапазоні .
Для кремнієвих транзисторів
де – значення зворотного струму колектора транзистора при відомій температурі Т0 (переважно ця температура складає 20о С або 25оС).
Для германієвих транзисторів
Розраховуємо значення приросту струму колектора від зміщення вхідної характеристики транзистора при зміні температури оточуючого середовища в заданому діапазоні
де – температурний коефіцієнт зміщення вхідної характеристики транзистора, який для германієвих і кремнієвих транзисторів приблизно дорівнює – 2 мВ / oC.
Розраховуємо значення приросту струму колектора від зміни коефіцієнта підсилення транзистора за струмом в схемі зі спільною базою при зміні температури оточуючого середовища на
де – температурний коефіцієнт відносної зміни коефіцієнта підсилення транзистора за струмом в схемі зі спільною базою, який для малопотужних транзисторів складає 2·10-4 (1/oC).
Сумарний приріст колекторного струму при зміні температури від дії дестабілізуючих факторів при ідеальній термостабілізації
Реальний приріст колекторного струму в режимі спокою при зміні температури від дії дестабілізуючих факторів для заданої схеми термостабілізації
Цей приріст струму не повинен перевищувати (10(20) % від значення струму в стані спокою , що дозволяє забезпечити задовільний діапазон зміни вихідної напруги і струму в навантаженні при зміні температури оточуючого середовища в заданому діапазоні.
4.1.1.2. Розрахунок транзисторного каскаду в схемі зі спільним емітером за змінним струмом
Визначаємо вхідний опір каскаду для змінного струму в схемі зі спільним емітером
Еквівалентний опір навантаження каскаду для змінного струму
Визначаємо коефіцієнт підсилення каскаду за напругою
Визначаємо еквівалентний вхідний опір каскаду з урахуванням впливу базового подільника напруги
Визначаємо коефіцієнт підсилення каскаду за струмом
де – опір колекторного переходу транзистора для схеми зі спільним емітером.
Визначаємо вихідний опір каскаду для змінного струму.
.
Значення ємностей розділювальних конденсаторів визначаємо з умови забезпечення необхідного рівня частотних спотворень на нижніх частотах.
Розподіляємо частотні спотворення на нижній частоті між усіма конденсаторами схеми , переводимо частотні спотворення на нижній частоті у відносні одиниці (Мн=100,05·Мн[дб] ) і розраховуємо значення ємностей конденсаторів
де – коефіцієнт частотних спотворень на нижній частоті у відносних одиницях за рахунок ємності конденсатора С1.
де – коефіцієнт частотних спотворень на нижній частоті у відносних одиницях за рахунок ємності конденсатора С2.
де – коефіцієнт частотних спотворень на нижній частоті за рахунок ємності конденсатора Се.
– вихідний опір какаду для схеми зі спільним колектором
де – еквівалентний опір зовнішнього кола на вході підсилювального каскаду
.
Розрахунок підсилювального каскаду в схемі зі спільним колектором
Для розрахунку схеми повинні бути задані: Rг – опір джерела вхідного сигналу; Uвих.m – амплітудне значення вихідної напруги; Rн – опір навантаження, fн – значення нижньої робочої частоти; fв – значення верхньої робочої частоти; Мн[дб] – коефіцієнт частотних спотворень на нижній частоті у децибелах; Мв[дб] – коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті у децибелах; Тос.мін,, Тос.макс – мінімальна і максимальна температура оточуючого середовища.
Рис.4.1.2. Схема транзисторного каскаду в схемі зі спільним колектором
Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні
Приймаємо значення струму колектора транзистора в режимі спокою з умови
Знаходимо мінімальне значення напруги між колектором і емітером транзистора в режимі спокою
де – напруга насичення транзистора, яка залежить від значення колекторного струму і матеріалу з якого виготовлений транзистор. Переважно напруга насичення для малопотужного транзистора складає
Визначаємо напругу живлення каскаду
Приймаємо значення напруги живлення
При виборі типу транзистора керуємося такими вимогами:
Вибираємо тип транзистора, який має такі основні електричні параметри: βмін; ; rк; ; ; ; Cк.
Розраховуємо значення опору резистора в колі емітера
Визначаємо струм бази транзистора в режимі спокою
Задаємося струмом базового подільника напруги і розраховуємо значення опорів базового подільника напруги і
Визначаємо еквівалентний опір базового подільника напруги
.
Еквівалентний опір навантаження каскаду для змінного струму
Визначаємо вхідний опір каскаду для змінного с...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора