Некоммерческое акционерное общество  

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра электроники и компьютерных технологий

 

Электроника и схемотехника аналоговых устройств 2 

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ

для студентов всех форм обучения специальности 050719 –

Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

Алматы 2008

СОСТАВИТЕЛЬ: Т.М.Жолшараева. Электроника и схемотехника аналоговых устройств 2. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для студентов всех форм обучения специальности  050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2008. –  16 с. 

Методические указания содержат задания к расчетно-графическим работам и примеры решения задач на темы: графоаналитический расчет транзисторного усилителя низкой частоты расчет дифференциального усилителя.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации и могут быть использованы студентами других  специальностей факультета РТ и С.

Печатается по дополнительному плану издания некоммерческого ак-ционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2008 г.

1 Общие методические указания к выполнению РГР

Дисциплина «Электроника и схемотехника аналоговых устройств 2» изучается студентами всех форм обучения специальности  050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. По курсу читаются лекции, выполняются расчетно-графические и лабораторные работы. Расчетно-графические работы (РГР) являются одним из основных компонентов при изучении курса.

Целью дисциплины «Электроника и схемотехника аналоговых устройств 2» является изучение принципов работы и методов проектирования и расчёта электронных и микроэлектронных устройств.

В результате  изучения дисциплины студенты должны знать основные характеристики и параметры диодов, транзисторов, интегральных микросхем и методы расчета электронных схем на их основе и освоить принципы функционирования основных аналоговых устройств. Выполнение РГР позволяет студентам применить теоретические знания при выборе элементной базы и выполнении расчетов электронных схем.

Дисциплина базируется на курсах физики, высшей математики, теории электрических цепей, электроники и схемотехники аналоговых устройств 1.

Данные методические указания содержат два задания к расчетно-графической работе, из которых студент выполняет одно, и примеры решения задач.

При выполнении РГР необходимо:

­         выбрать свой вариант в соответствии с двумя последними цифрами номера зачетной книжки;

­         номер варианта, группа, фамилия и инициалы студента должны быть указаны на титульном листе;

­         текст задания должен быть переписан без сокращений в пояснительную записку РГР;

­         в пояснительной записке необходимо приводить не только расчетные формулы, соответствующие единицы измерения и конечные результаты, но и пояснения и необходимые промежуточные вычисления;

­         все текстовые и графические материалы должны соответствовать фирменному стандарту [1], содержать титульный лист, задание, основную часть – решение задач и литературу.

 

2 Задания к расчетно-графическим работам

В РГР  необходимо выполнить одно из двух заданий.

 При нечетной последней цифре номера зачетной книжки  необходимо выполнить задание  №1.

При четной последней цифре номера зачетной книжки  необходимо выполнить задание  № 2.

 2.1 Задание №1

Транзистор VT включен в усилительный каскад по схеме с ОЭ. В схеме рисунка 2.1 используется фиксированное смещение базовым делителем, на схеме  рисунка 2.2 - смещение током базы покоя. Каскад питается от одного источника с напряжением Ек. Заданы тип транзистора, напряжение источника питания  Ек  и сопротивление резистора коллекторной нагрузки Rк (см. таблицу 2.1). Тип схемы и диапазон частот усиливаемых колебаний fн ¸ fв приведен в таблице 2.2.

 

Т а б л и ц а 2.1

Последняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

1

2

3

4

5

VT

КТ803А

ГТ703А

КТ902А

КТ120А

ГТ402Д

Ек, В

50

15

30

0,8

6

Rк, кОм

0,0125

0,010

0,012

0,05

0,02

 

Продолжение таблицы 2.1

Последняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

6

7

8

9

0

VT

КТ501А

КТ601А

КТ317А

КТ313А

КТ361Г

Ек, В

30

60

4

6

25

Rк, кОм

2,5

1,5

10

0,2

0,5

  

Т а б л и ц а 2.2

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

1

2

3

4

5

fн, Гц

100

150

80

95

120

fв, кГц

6

8

5

6

9

Рисунок

2.2

2.1

2.2

2.1

2.2

 

 

 

  

Продолжение таблицы 2.2

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

6

7

8

9

0

fн, Гц

100

120

150

100

150

fв, кГц

12

10

18

9

7

Рисунок

2.1

2.2

2.1

2.2

2.1

 

 

 

 

Требуется:

а) привести заданную схему усилителя;

б) построить сквозную динамическую характеристику (СДХ) усилителя;

в) определить на СДХ начальную рабочую точку;

г) определить смещение  начальной рабочей точки;

д) рассчитать значения элементов цепи смещения;

е) рассчитать разделительную емкость СР;

ж) рассчитать коэффициент нелинейных искажений n.

 2.2 Задание №2

Дана схема  дифференциального усилителя (ДУ) на биполярных транзисторах VT с генератором стабильного тока (ГСТ), несимметричным входом (см. рисунок 2.3). Э.д.с. входного сигнала Eг, сопротивление Rг (см. таблицу 2.3). Требуемый коэффициент усиления KUд, входное сопротивление Rвх (см. таблицу 2.4). Выбрать значения напряжения источников питания Eк1 и Eэ2, рассчитать элементы схемы и величину коэффициента ослабления синфазного сигнала Kос.сф.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3

 

Т а б л и ц а 2.3

Последняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

1

2

3

4

5

Тип VT

КT301A

KT307Б

KT317A

KT331B

КТ340Б

Ег, мВ

8

10

5

4

9

Rг, кОм

0,2

0,3

0,1

0,5

0,1

 

 

 

Продолжение таблицы 2.3

Последняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

6

7

8

9

0

Тип VT

КТ348Б

КТ358А

КТ361А

КТ379Б

КТ3102А

Ег, мВ

15

12

8

9

12

Rг, кОм

0,2

1

0,8

1,5

1,2

 

 

 

Т а б л и ц а 2.4

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

№ вар.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Кu

15

12

10

20

18

14

25

21

16

22

Rвх, кОм

8

9

10

6

5

12

11

14

7

6

 3 Примеры решения задач расчетно-графических работ

3.1 Графоаналитический расчет транзисторного усилителя низкой частоты

Заданный транзистор VT включен в усилительный каскад по схеме с ОЭ (см. рисунок 2.1). Каскад питается от одного источника с напряжением Ек. Для подачи смещения в цепь базы используется делитель напряжения R1, R2. Имеет место фиксированное смещение от базового делителя.

Характеристики транзистора берутся из справочника.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой RК связь между коллекторным током IК  и напряжением на коллекторе UК  выражается уравнением нагрузочной характеристики

.

Особенностью динамического режима, в отличие от статического, является то, что изменение одного параметра влечет за собой изменение другого. При увеличении Iб увеличивается ток коллектора IК и падение напряжения на  URк. Ток коллектора одновременно зависит от Uб  и Uк. Поэтому нельзя использовать статические характеристики. Для анализа усилителя обычно используются выходные и сквозные динамические характеристики.

Построим сквозную динамическую характеристику.

Для этого строим на выходных статических характеристиках данного транзистора линию нагрузки (1-ый квадрант графика на рисунке 3.1) по полному уравнению цепи (или по уравнению нагрузочной линии) .

При Iк= 0, Uкэ = Ек ‑ первая точка линии нагрузки,

при Uкэ= 0, Iк = Е/ Rк - вторая точка. Соединяем их.

Нагрузочная характеристика представляет прямую линию на семействе выходных характеристик транзистора, пересекающуюся с осями координат в точках Ек/Rк и Ек. Характеристика включает в себя информацию о типе транзистора, заданных значениях , .  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее строим переходную динамическую характеристику: , соединяя точки пересечения токов базы по вертикали с токами коллектора по горизонтали (второй квадрант графика на рисунке 3.1).

На рисунке 3.2 приведена динамическая входная характеристика  (пунктирная кривая), которая построена на основе статической  (контурная кривая на рисунке 3.2) по уравнению  при заданных токах базы. Значение Rг выбирается от 100 ом до 1 килоома.

Строим сквозную динамическую характеристику  (см. рисунок 3.3 в первом квадранте), используя  динамическую передаточную характеристику (второй квадрант), входную динамическую характеристику (третий квадрант) путем переноса точек пересечения в первый квадрант.

 

В результате получаем S-образную сквозную динамическую характеристику (третий квадрант), которая содержит информацию о типе транзистора, о напряжении коллекторного питания Ек, коллекторной нагрузке , о входном сигнале ег и внутреннем сопротивлении источника сигнала Rг.

 

На рисунке 3.4 приведена сквозная динамическая характеристика, полученная на рисунке 3.3. Выбираем начальную рабочую точку в классе усиления А. Для этого ограничиваем линейный участок (точки  M и N) и находим его середину (точка А). Определяем смещение начальной рабочей точки Есм. Затем определяем значение сигнала на входе. Очевидно, что сигнал на входе не должен выходить за пределы участка MN.

Рассчитаем элементы смещения рабочей точки.

Потенциал базы жестко фиксируется делителем R1, R2 (см. рисунок 2.1). Ток течет от Eк через базовый делитель. Падение напряжения на R2 создает смещение на базу . Чтобы ток делителя не зависел от тока базы покоя должно выполняться условие . Для выполнения этого условия надо уменьшать R1, R2, но при этом растет потребление энергии от Eк, падает кпд и падает входное сопротивление усилителя, а оно итак мало.

Поэтому выбирается;  при этом . Ток базы покоя . Ток коллектора покоя Iкп показан на рисунке 3.4,                       b -коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора, берется из справочника по транзисторам.

Емкость разделительного конденсатора Ср определяется из условия

 где wн – низшая рабочая частота;

СР =.

Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений.  На практике используется приближенный метод расчета нелинейных искажений – метод Клина (метод пяти ординат). Нелинейные искажения вносятся как входной цепью, так и выходной. Используется сквозная динамическая характеристика (см. рисунок 3.5).

Далее определяется коэффициент нелинейных искажений ν по формулам:

– коэффициент искажений по 2-ой гармонике;

 – коэффициент искажений по 3-ей гармонике;

.

 

 

3.2 Расчет дифференциального усилителя

Заданы транзисторы КТ312А, обеспечивающие малую величину дрейфа ДУ и имеющие малый тепловой ток и достаточно высокий коэффициент b. Допустимое напряжение Uкэ.max £ 15В. Следовательно, Ек1к2 £ 7,5 В. Амплитуда выходного напряжения UвыхUдЕг=20 ·10=200 мB может быть обеспечена при Ек1к2=6,3B. Меньшие значения Ек затрудняют построение ГСТ.

При использовании двух источников питания к1 и –Еэ2 в схеме ДУ по рисунку 2.3 потенциал эмиттеров транзисторов VТ1, VТ2 в режиме покоя можно принять равным нулю. Это связано с тем, что падение напряжения в цепях баз транзисторов VТ1, VТ2 от тока покоя Iб01Rг очень мало при малых входных токах и, следовательно, база транзистора может считаться заземленной по постоянному току. Тогда потенциал эмиттера отличается от потенциала земли на величину Uбэ01 = Uбэ02= 0,5÷0,7 В для кремниевых транзисторов. Поэтому в первом приближении можно считать, что напряжение нижнего источника (-Еэ2) приложено к ГСТ, а верхнего (+Ек1) - к транзисторам VТ1 ,VТ2 и резисторам Rк.

Выбираем для транзисторов VT1 и VT2 начальную рабочую точку с Uкэ0 = 3В, Iк0=1мА, Uбэ0 =0,45 В. Тогда номинал резистора Rк составляет

Rк=.

В выбранном режиме h11э=2кОм, b=35,тогда

.

Для увеличения Rвх и выравнивания токов транзисторов VT1 и VТ2 введем резисторы Rэ, вносящие местную отрицательную обратную связь (ООС) по току транзисторов. Обычно Rэ выбирают порядка десятков или сотен ом.

Полагаем Rэ =40 Ом, тогда

Rвх.д = 2 .

Для уменьшения токовой составляющей погрешности ДУ в базовую цепь транзистора VT2 включаем резистор Rб=Rг. Проверим, обеспечивает ли ДУ требуемое значение К. При несимметричном выходе и Rн = ¥

К=,

что незначительно превышает требуемую величину.

Рассчитаем ГСТ, для чего вначале определим потенциал коллектора транзистора VТ3 относительно общей шины

Следовательно, падение напряжения на транзисторе VТ3 и резисторе R3 составит

Еэ2Uк3=6,3–0,46=5,84 В.

При работе ДУ для нормального функционирования транзистора VT3 в ГСТ необходимо выполнение неравенств

Uкб > 0  и Uкб3 ³Uкэ нас.

Выберем потенциал базы транзистора VТ3 относительно общей шины

Uб3 = –4,5 В, что обеспечит Uкб3 @. тогда падение напряжения U на резисторе R4 и диоде VД

U = Eэ2 Uб3=6,3–4,5=1,8 В.

Падение напряжения на резисторе R3

UR3=U Uбэ03=1,8–0,5=1,3 В.

Здесь Uбэ03=0,5 В при Iк03=Iк01= Iк02=2мА. Тогда сопротивление резистора R3

R3=UR3/Iк03=1,3/2=0,65 кОм;

Выберем ток делителя R4 ,R5, равным коллекторному току транзистора VТ3, т.е. Iдел =2 мА. Тогда:

R5= (Ек2 U)/Iдел=4,5/2=2,25 кОм.

Для определения номинала резистора R4 необходимо прежде выбрать диод VД. Целесообразно в качестве диода применить транзистор КТ312А в диодном включении, что обеспечит хорошую температурную компенсацию изменения Uбэ транзистора VТ3 вследствие одинаковых ТКН диода и транзистора VT3. По входной характеристике транзистора КТ312А при Iэ=2мА величина Uд = Uбэ0 =0,5В и поэтому

 кОм.

Рассчитаем коэффициент усиления синфазного сигнала Кu сф несим при несимметричном выходе ДУ, имея в виду, что вместо резистора Rэ в схеме ДУ с ГСТ следует учитывать сопротивление Rвых3 транзистора VТ3 c введенной отрицательной обратной связью по току через резистор R3.

 где

.

При значениях сопротивлений элементов:

;        R3 = 650 Oм;

;   rб3 = 100 Ом и

R4||R5=2,25||0,65=0,505 кОм     Rвых3  будет равно

Rвых3=кОм.

Тогда коэффициент усиления синфазного сигнала

КU сф несим=,

и коэффициент ослабления синфазного сигнала

Кос.сф= или

Кос.сф дБ=76,4 дБ.

 

Литература

1.   Работы учебные. Фирменный стандарт ФС РК 10352-1910-У-е-001-2002. Общие требования к построению, изложению, оформлению и содержанию. – Алматы: АИЭС, 2002. – 31 с.

2.   Головатенко-Абрамова М.П., Лапидес А.М. Задачи по электронике. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 112 с.

3.   Расчет электронных схем. Учебное пособие для вузов. /Г.И.Изъюрова и др. – М.: Высшая школа, 1987.‑335 с.

4.   Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Полупроводниковые приборы: Учебное пособие. ‑ Алматы: АИЭС, 2006. – 79 с.

5.   Нефедов А.В. Транзисторы для бытовой, промышленной и спе-циальной аппаратуры: Справочное пособие. – М.: Солон-Пресс, 2006. – 600 с.

6.   Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. /Под редакцией Б.Л.Перельмана. – М.: Радио и связь, 1982. – 656 с.

7.   Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. – М.: «СОЛОН», «МИКРОТЕХ», 1996. – 176 с.

8.    Жолшараева Т.М.. Схемотехника 1. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050704 –Вычислительная техника и программное обеспечение. – Алматы: АИЭС, 2008. – 50 с.

 

 

Содержание

1 Общие методические указания к выполнению РГР. 3

2 Задания к расчетно-графическим работам. 3

2.1 Задание №1. 4

2.2 Задание №2. 5

3 Примеры решения задач расчетно-графических работ. 7

3.1 Графо-аналитический расчет усилителя низкой частоты.. 7

3.2 Расчет дифференциального усилителя. 11

Литература. 14