новая папка 1 / 279742

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Иркутский государственный лингвистический университет»

М.М. Бусько

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

к выполнению расчетного задания по дисциплине «Электроника и схемотехника»

Электронное издание

Иркутск

2014

УДК 621.375 ББК 32.846

Б 92

Печатается по решению редакционно-издательского совета Иркутского государственного лингвистического университета Рецензент: кандидат технических наук, доцент кафедры информационных

технологий ИГЛУ Фрязинов А. В.

Б 92 Бусько М.М. Методические рекомендации к выполнению расчетного задания по дисциплине «Электроника и схемотехника» [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие / М.М. Бусько. – Иркутск: ИГЛУ, 2014. – 22 с. – Режим доступа: CD-R.

Методические рекомендации содержат основные теоретические сведения, необходимые для расчёта усилительного каскада с общим эмиттером и блока питания к нему, порядок расчёта, а также варианты домашнего задания.

Учебно-методическое пособие предназначено студентам бакалавриата направления подготовки 090900 Информационная безопасность для выполнения расчетного задания по дисциплине «Электроника и схемотехника».

УДК 621.375 ББК 32.846

© Бусько М. М., 2014 © Иркутский государственный лин-

гвистический университет, 2014

2

3

Введение

Выполнение расчетного задания является одним из этапов изучения студентами дисциплины «Электроника и схемотехника», служит для более глубокого и самостоятельного изучения отдельных разделов курса, овладения навыками проектирования функциональных электронных узлов и имеет целью:

–систематизацию, закрепление и расширение теоретических и практических знаний по дисциплине «Электроника и схемотехника»;

–развитие навыков выполнения самостоятельной работы, овладение методами исследования и экспериментирования при решении поставленных задач;

–применение знаний, полученных по предметам «Физика», «Высшая математика», «Электротехника», «Информатика».

Усилитель является наиболее распространённым и важным функциональным узлом в электронике. Учитывая исключительную роль усилителей и то, что их знание является ключом к пониманию всей аналоговой электроники,

вкачестве типовой темы задания предлагается тема «Транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером».

Задачами при выполнении расчетного задания являются:

–анализ особенностей электронного устройства;

–разработка схемных решений при его проектировании;

–оформление электрических схем, чертежей и составление специфика-

ций;

–выполнение расчетов функциональных узлов;

–выбор элементов для их практической реализации;

–создание модели разработанной схемы в среде Micro-Cap.

4

Задание по расчету усилителя

1.Рассчитать транзисторный усилитель по схеме с общим эмиттером (ОЭ) для обеспечения заданных параметров. Предусмотреть температурную стабилизацию. Номинальные значения резисторов и конденсаторов должны соответствовать ряду Е24.

2.Для усилительного каскада рассчитать схему блока питания.

3.Промоделировать рассчитанные схемы в Micro-Cap. Проверить соответствие с требованиями технического задания. Объяснить причину различий (если таковые имеются).

Расчетное задание оформляется в соответствии с общими требованиями к лабораторным, курсовым и дипломным работам. Пояснительная записка должна включать в себя следующие структурные элементы:

а) титульный лист; б) задание — помещается после титульного листа; в) содержание;

г) перечень условных обозначений, символов, терминов (при необходимости);

д) основная часть:

1)выбор транзистора и элементов схемы;

2)расчет параметров резисторов и конденсаторов;

3)расчет блока питания;

е) приложение — включает в себя графическую документацию, т. е. принципиальную схему со спецификацией разработанного устройства (допус-

кается выполнение схемы в среде Micro-Cap или Electronics Workbench).

Варианты заданий

Рассчитать транзисторный усилитель по схеме с ОЭ, удовлетворяющий следующим параметрам (см. таблицу согласно варианту).

5

КU — коэффициент усиления по напряжению, RН – сопротивление нагрузки усилителя, fН и fВ — нижняя и верхняя граничные частоты усилителя, р0

— коэффициент пульсаций на выходе блока питания, ЕК — напряжение источника питания.

6

Методические указания к выполнению задания

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных ассиметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада представлена на рис. 1.

Рисунок 1 — Усилительный транзисторный каскад с общим эмиттером

В этой схеме резистор RК, включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается необходимое напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А. Цепь RЭCЭ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы C1 и C2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока.

Основной задачей при проектировании усилителей является правильный выбор транзисторов. Транзисторы должны обеспечить необходимое усиление сигнала при минимальном числе каскадов. Кроме этого, транзисторы должны обеспечить требуемую мощность в нагрузке в заданных температурных условиях, а так же иметь необходимый запас электрической прочности по допусти-

7

мым токам и напряжениям. Особое внимание при выборе транзистора уделяют его частотным свойствам, так как они предопределяют полосу рабочих частот.

Чтобы достичь необходимого усиления сигнала транзисторы выбирают с наибольшим статическим коэффициентом передачи тока h21Э. В справочниках обычно приводится типовое значение коэффициента или возможные пределы его изменения от h21Эmin до h21Эmax. В последнем случае для расчетов применяют среднее геометрическое значение

Необходимым условием надежной работы транзистора является правильный выбор его электрических режимов работы с тем, чтобы температура корпуса не превышала допустимого значения. При этом расчетная мощность, рассеиваемая коллектором транзистора в самом тяжелом энергетическом режиме (PК0), не должна превышать ее допустимого значения для данного транзистора

(Pmax)

PК0 < Pmax

Частотные свойства транзистора определяют полосу пропускания усилителя. При повышении частоты коэффициент передачи тока транзистора снижается. Причиной тому является инерционность электрических процессов, происходящих в транзисторе при его работе. Так на частоте fh21Э, называемой пре-

дельной частотой передачи тока, коэффициент h21Э уменьшается в 2 раз, а на частоте fгр становится равным единице. Эти частоты связаны соотношением

(2)

В справочниках часто приводят значение h21Э для некоторой фиксированной частоты f. В этом случае fгр можно определить по формуле (2). Например для транзистора КТ315А на частоте f = 100МГц модуль коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ равен 2,5. Тогда fгр = 2,5 100МГц = 250МГц.

Для снижения уровня частотных и фазовых искажений сигнала транзисторы следует выбирать с запасом по предельной частоте передачи тока fh21Э. Для транзисторов каскадов с общим эмиттером нужно выполнить условие

8

≥ (2…3) fВ ,

где fВ — верхняя граница усиливаемого диапазона.

После выбора транзистора непосредственно производится расчет усилительного каскада. Для определения рабочего режима выбирают две крайние точки. Для первой точки напряжение коллектор-эмиттер равняется напряжению источника питания (UКЭ = ЕК), а ток равняется нулю (IК = 0). Вторая крайняя точка — при напряжении равном нулю (UКЭ = 0) и токе равном максимальному току в нагрузке (IК):

IK = EK RН

Для нормальной работы транзистора рабочая точка должна быть посередине между двумя крайними:

IK 0 = I2K

UКЭ0 = E2K

Тогда мощность, выделяющаяся в транзисторе, будет:

PK 0 = IK 0 UКЭ0 ,

что не должно превышать максимальную рассеиваемую мощность транзистора Pmax, определяемую из справочных данных.

Мощность, потребляемая усилителем от источника питания:

P0 = IK 0 EK

Расчет сопротивлений резисторов усилительного каскада осуществляется с помощью статических ВАХ и h-параметров транзистора. Для схемы с общим эмиттером коэффициент усиления по току Ki примерно равен статическому коэффициенту передачи h21Э. Тогда:

h21Э = IК0 IБ ,

соответственно ток базы:

IБ = IK 0 h21Э

9

Параметрами выбранной точки покоя будут значения IК0, UКЭ0, IБ. Падение напряжения от постоянной составляющей коллекторного тока на

резисторе эмиттерной цепи RЭ должно составлять 15…20% от напряжения источника питания ЕК. Тогда сопротивление резистора в эмитерной цепи транзистора усилительного каскада вычисляется по формуле:

RЭ =UЭ IК0 = 0,2EК IК0

Сопротивление резистора коллекторной цепи:

RК = (EК −UКЭ0 −UЭ)IК0 .

Ток резисторного делителя в базовой цепи выбирается в 5-10 раз больше тока базы транзистора:

I Д =5 IБ

Напряжение на переходе база-эмитер UБЭ можно вычислить исходя из заданного коэффициента усиления по напряжению:

KU =UКЭ0 UБЭ , UБЭ =UКЭ0 KU

Сопротивление резистора R2 делителя R1R2:

R2 =(UЭ +UБЭ)I Д .

Сопротивление R1 определяется по аналогичной формуле:

R1 =(EК −UЭ −UБЭ)(I Д +IБ )

Коэффициент усиления по напряжению определяется как:

KU ≈ KRi RК

ВХ

Отсюда входное сопротивление транзистора:

RВХ ≈ KiK RK

U

Конденсаторы С1, С2 и конденсатор С3, который шунтирует резистор Rэ, включенный в эмиттерную цепь транзистора, должны иметь в области нижних частот незначительные сопротивления.

10