573_SHushnov_M.S._Metodicheskie_Ukazanija_Po_Vypolneniju

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

М.С. Шушнов

Методические указания по выполнению контрольной работы по дисциплине

«Схемотехника телекоммуникационных устройств»

Учебно-методическое пособие

Новосибирск

2015

УДК 621.375(078)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент канд. техн. наук, доц. Е.В. Кокорева

Шушнов М.С. Методические указания по выполнению контрольной работы по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств» : Учеб- но-методическое пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. радиотехнических устройств. – Новосибирск, 2015. – 33 с.

В учебно-методическом пособии приведены краткие теоретические сведения, задания и справочные материалы для изучения курса «Схемотехника телекоммуникационных устройств». Пособие предназначено для изучения способов построения, анализа и расчета устройств обработки сигналов. Может быть рекомендовано для самостоятельной работы студентов.

Учебно-методическое пособие подготовлено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 11.03.01 – Радиотехника.

©Шушнов М.С., 2015

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015

2

1.ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Сцелью приобретения навыков расчета усилительных каскадов в расчетнографическое задание включены расчеты применяемых однотактных резисторных каскадов предварительного усиления гармонических сигналов на биполярных и полевых транзисторах различных типов. Для лучшего понимая методики расчета полезно ознакомиться с рекомендуемой литературой [1–6].

1.1. Задание на выполнение

Номер варианта, который должен выбрать студент, определяется по двум последними цифрами номера студенческого билета.

В результате выполнения контрольной работы студент должен начертить принципиальную схему однотактного резисторного каскада предварительного усиления на биполярном или полевом транзисторе (определяется заданием), включенном по схеме с общим эмиттером/общим истоком и эмиттерной/истоковой стабилизацией тока покоя. Рассчитать параметры элементов схемы, режим работы каскада по постоянному току, коэффициент усиления каскада в области средних частот, входные и выходные параметры каскада. Исходные данные для расчета приведены в Прил. 1.

Справочные характеристики транзисторов можно найти в сети Интернет на сайтах фирм-производителей или поставщиков электронных компонентов, резисторов и конденсаторов в Прил. 1 или в сети Интернет. Формулы, напротив которых в методике расчета написано (ГОСТ), предполагают, что рассчитанный номинал элемента должен быть выбран по типу, а его номинал по ГОСТу в соответствии с выпускаемым промышленностью элементом.

При округлении значений элементов следует: для резисторов выбирать ближайшее значение по ГОСТ, округляя значение до ближайшего из ряда номиналов E; для конденсаторов – округление номинала до ближайшего большего из ряда E. Выбор ряда E осуществляется исходя из требуемой точности реализации схемы. Для большинства случаев достаточно точности номиналов постоянных резисторов ±5 или 10 %.

Если указанный в задании транзистор выпускается в исполнение корпуса для поверхностного монтажа (SMD), то резисторы и конденсаторы по возможности должны быть выбраны подходящие для аналогичного способа монтажа.

1.2. Оформление контрольной работы

Пояснительная записка к контрольной работе оформляется в отдельной ученической тетради или на листах формата A4 и сдается на проверку лектору.

Все страницы нумеруются. На титульном листе номер не указывается. Пояснительная записка должна иметь опрятный вид без заметных помарок и подчисток. Язык пояснительной записки должен быть кратким, ясным и четким, со строгим соблюдением правил правописания, без малоупотребляемых иностранных и жаргонных слов и сокращений (кроме общепринятых).

3

В формулах в качестве символов следует применять только обозначения, предусмотренные стандартами. Перед первым применением формулы дается ее пояснение с расшифровкой входящих в нее величин. Повторное ее использование допускается без пояснения. Не следует забывать о знаках препинания при написании формул.

Текстовые рисунки (схемы, графики и т. д.) рекомендуется выполнять в одном из графических редакторов ПЭВМ. Допускается их выполнение на той же писчей бумаге или отдельных листах кальки или ватмана формата А4 черной тушью, чернилами или простым карандашом. Все рисунки должны иметь сквозную нумерацию в пределах всей пояснительной записки, например: рис. 1, рис. 2 и т. д. Надписи к рисункам помещаются под ними, а надписи к таблицам

– над ними.

Перед расчетами указывается литература, из которой взята методика этих расчетов. Ссылка на литературу (порядковый номер по списку) дается в квадратных скобках, например: [1, 12].

На титульном листе должны обязательно присутствовать дата ее представления преподавателю на проверку и подпись автора.

Результаты отдельных этапов расчетов взаимно дополняют друг друга, но могут приводить и к противоречиям, которые необходимо своевременно заметить и с привлечением дополнительной информации обоснованно устранить. Ссылка на то, что выбранные параметры схемы не дали желаемый результат, не является обоснованием невыполнения задания.

Список литературы (библиографическая ссылка) содержит названия книг, справочных материалов и других опубликованных печатных и электронных материалов, использованных при выполнении задания. Список использованных источников и ссылки на них выполняются по ГОСТ 7.1-2003, ГОСТ 7.0.5-2008, ГОСТ 7.82-2001. Отступление в оформлении от требований ГОСТ не допускается.

4

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Расчет КПУ начинают с вычерчивания принципиальной электрической схемы рассчитываемого каскада (рис. 1–4).

Чаще всего КПУ строятся по схеме с общим эмиттером (ОЭ) для биполярных транзисторов, с общим истоком (ОИ) для случая применения полевых транзисторов. Методика расчета КПУ на биполярных и полевых транзисторах имеет много общего. Основные отличия расчетов связаны с различием в схемах питания базы или затвора соответственно, а для полевых транзисторов еще и типом канала (встроенный или индуцированный).

Рис. 1. Схема КПУ на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

иэмиттерной стабилизацией

2.1.Расчет каскада на биполярном транзисторе

Расчет ведется аналитическим методом в следующем порядке.

1.Приводится принципиальная электрическая схема усилительного каскада по схеме с ОЭ и вводятся обозначения элементов на схеме.

2.Рассчитывается общая нагружающая каскад емкость:

5

Выходную емкость транзистора Cвых.тр можно определить из справочных

данных, взяв ее примерно равной емкости коллектора при указанном напряжении на коллекторе. Однако ее величина существенно зависит от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. Для пересчета емкости коллектора можно воспользоваться следующей формулой:

где Ск.спр – справочное значение емкости коллекторного перехода при напря-

жении на коллекторе Uк.спр ; Uк0 – напряжение на коллекторе, при котором ве-

дется расчет.

Емкость монтажа Cмонт обычно составляет от 1–2 пФ для компонентов для поверхностного монтажа (SMD) до 10 пФ для выводных компонентов.

3. Находится эквивалентное сопротивление выходной цепи каскада в обла-

сти верхних частот на частоте fв с учетом заданного коэффициента частотных искажений Mв.вых :

где Mв.вых – допустимые частотные искажения в выходной цепи КПУ на верхней частоте. Обычно искажения распределяют между входной цепью и выход-

ной равномерно, тогда Mв.вых Mв .

4. Определяется сопротивление коллекторной нагрузки транзистора:

Rк Rн Rэ.в . (ГОСТ)

Rн Rэ.в

5. Определяется режим работы транзистора по постоянному току Iк0 и

амплитуду тока в нагрузке Iкm . Амплитуда тока в нагрузке определяется по формуле:

Iкm Umн Rэ.в .

Ток покоя коллектора (постоянную составляющую) определяется по форму-

ле:

Iк0 Iкm kз ,

где kз – коэффициент запаса тока, обычно берется равным 0,4–0,7. Меньшие значения kз увеличивают мощность, рассеиваемую на транзисторе, и приводят к повышению напряжения питания каскада. Поскольку от тока коллектора за-

6

висит коэффициент усиления по току транзистора, то следует брать значение

Iк0 не менее 0,5–2 мА в зависимости от типа тразистора.

6. Определяется напряжение покоя Uк0 , которое должно быть в несколько раз больше амплитуды сигнала на выходе усилителя:

Uк0 2...3Umн .

Часто характеристики транзисторов в справочнике приводятся для напряжения Uк0 5 В, поэтому иногда в расчетах при прочих допустимых условиях можно принять напряжение на коллекторе равным 5 В, т. е. если амплитуда сигнала не превышает 2 В.

7. Определяется мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Pк0 Iк0Uк0 .

Полученное значение должно быть меньше допустимой максимальной рассеиваемой мощности на коллекторе Pк0 Pк.макс , определяемой по справочным данным для указанной температуры перехода. Часто приводится значение при температуре не выше 25ºС, но с повышение температуры перехода допустимая рассеиваемая мощность резко снижается.

8. Определяется напряжение питания каскада.

Для выбора значения напряжения питания удобно пользоваться следующим выражением:

Eп kэ Iк0Rк Uк0 ,

где kэ – коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопро-

тивлении обратной связи Rэ . Величина коэффициента запаса по напряжению

питания обычно находится в интервале от 1,1 до 1,3. Большие значения kэ увеличивают стабильность режима транзистора, но также увеличивают напряжения питания каскада и мощность, рассеиваемую резистором Rэ . Полученное по формуле значение напряжения округляют до ближайшего большего, используя вспомогательный ряд стандартных напряжений постоянного тока (табл. 3).

9. Определяется сопротивление коллекторной цепи постоянному току:

Rн Rк Rэ Eп Uк0 . Iк0

Сопротивление в цепи коллектора Rн (коллекторная нагрузка по постоянному току) состоит из сопротивления в коллекторной цепи Rк и сопротивления в

цепи эмиттера Rэ . Резистор Rэ помимо температурной стабилизации обеспечивает отрицательную обратную связи (ООС). Введение ООС подобного типа увеличивает входное сопротивление каскада, что благоприятно сказывается на работе источника, но снижает коэффициент усиления каскада.

7

10. Определяется сопротивление резистора Rэ в эмиттернойцепипо формуле:

Rэ Rн Rк .

11. Рассчитывается коэффициент усиления каскада по напряжению без ООС:

K h21э.ср Rэ.в ,

Rвх.тр

где Rвх.тр Uб0 Iб0 – входное сопротивление транзистора.

12. Определяются величины тока базы Iб0 и базового делителя Iд . Постоянный ток базы определяется по формуле:

Iб0 Iк0h21э.ср ,

где h21э.ср – среднее значение коэффициента передачи по току транзистора,

определяемое как h21э.ср h21э.мин h21э.макс . Величины коэффициентов переда-

чи тока h21э.мин и h21э.макс приведены в справочных данных на указанный тип транзистора при определенной температуре перехода. Обычно в справочных

данных приводятся в графическом виде усредненные зависимости h21э.ср от то-

ка коллектора, поэтому ими пользоваться бывает удобнее. В этом случае по графику нужно определить h21э.ср для максимально близкого значения тока кол-

лектора Iк0 при определенной температуре перехода. Если температура перехода не указана, то ее принимают равной средней комнатной температуре 25ºС.

Ток делителя смещения обычно берется в 5–10 раз больше постоянного тока базы:

Iд 5...10 Iб0 .

13. По известному току делителя Iд и напряжению база-эмиттер Uбэ0 в точке покоя находят сопротивления резисторов делителя, обеспечивающих это напряжение:

нике не дана входная характеристика транзистора), то это напряжение можно принять примерно равным 0,5 В для маломощных (до 0,5 Вт) кремниевых биполярных транзисторов.

8

14. Находится сопротивление резистора Rос , обеспечивающего ООС в каскаде. Коэффициент усиления каскада с ООС определяется выражением

По формуле находится

βK Kос ,

KKос

откуда вычисляется

βRэ.вh21э.ср

Rос h21э.ср 1 . (ГОСТ)

Определяется уточненное значение сопротивления Rэ.ут. Rэ Rос . (ГОСТ) 15. Находится общее входное сопротивлениеRвх.ос КПУ:

16. Определяется общее выходное сопротивление каскада с ООС:

T βK ,

T2 0 T Rэ.в Rн ,

Rэ.в

F2(0) 1 T2(0),

Rвых.ос Rэ.вF2 0 .

17.НаходитсяобщеевходноесопротивлениеRвх.ос КПУсучетомдействияООС:

T1 0 T Rвх Rист ,

Rвх

F1 0 1 T1 0 ,

Rвх.ос Rвх F1 0 .

Определяется емкостная составляющая входного сопротивления каскада

где fТ – граничная частота транзистора (справочный параметр);

rэ 0,026Iк0 – сопротивление эмиттера; Ск – емкость коллектора (справочный параметр).

18. Величина допустимых частотных искажений в области нижних частот распределяется с учетом разрешенной к применению элементной базы и других

соображений между входной цепью Mн.Cр.вх , цепью CэRэ –Mн.Cэ и выходной цепью Mн.Cр.вых . В данном случае ограничений на распределение частотных

искажений нет. Поэтому можно принять, что частотные искажения распределены равномерно:

Mн.Cр.вх Mн.Cэ Mн.Cр.вых 3Mн .

Тогда

1

Cр.вх 2πfн Rвх.ос Rист Mн.Ср.вх 2 1, (ГОСТ)

ствующего транзистору.

19. Величина допустимых частотных искажений в области верхних частот распределяется между входной цепью Mв.вх и выходной цепью Mв.вых . Необходимо проверить, что результирующее значение частотных искажений в области верхних частот, вносимых каскадом, не превышает заданное значение

Mв Mв.вхMв.вых ,

где Mв.вх 1 2πfвСвхR'ист 2 .

Если условие выполняется – режим каскада выбран правильно. Если усло-

вие не выполняется, то следует уменьшить Rэ.в и повторить расчет.

10