«ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет З.М. СЕЛИВАНОВА, Ю.Л. МУРОМЦЕВ ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ...»

З.М. СЕЛИВАНОВА, Ю.Л. МУРОМЦЕВ

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ЭЛЕКТРОНИКА

ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

З.М. СЕЛИВАНОВА, Ю.Л. МУРОМЦЕВ

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ЭЛЕКТРОНИКА

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов 2, 3 курсов дневного и заочного отделений, экстерната и дистанционного обучения специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Тамбов Издательство ТГТУ УДК 621.3(075) ББК з21я С Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник первой научно-исследовательской лаборатории Тамбовского высшего военного авиационного инженерного училища радиоэлектроники (военного института) В.И. Павлов Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой компьютерного и математического моделирования Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина А.А. Арзамасцев Селиванова, З.М.

С291 Общая электротехника и электроника : учебное пособие по курсовому проектированию / З.М. Селиванова, Ю.Л. Муромцев. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. унта, 2009. – 120 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0818-3.

Учебное пособие посвящено курсовому проектированию усилительных устройств на биполярных транзисторах. Представлены теоретические сведения о видах, параметрах и характеристиках усилителей, методика расчёта и анализа усилительных устройств переменного тока.

Предназначено для студентов дневного и заочного отделений, экстерната и дистанционного обучения специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».

УДК 621.3(075) ББК з21я 978-5-8265- © ГОУ ВПО «Тамбовский государISBN ственный 0818- технический университет»

(ТГТУ), Учебное издание СЕЛИВАНОВА Зоя Михайловна, МУРОМЦЕВ Юрий Леонидович

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие Редактор З.Г. Ч е р н о в а Инженер по компьютерному макетированию Т.Ю. З о т о в а Формат 60 84 / 16. 6,97 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к.

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей при проектировании радиоэлектронных средств является усиление электрических сигналов по току, напряжению или мощности до требуемой величины и, следовательно, разработка теории усилителей и методика их расчёта.

Целью курсового проекта по дисциплине «Общая электротехника и электроника» является приобретение навыков самостоятельного расчёта современных усилителей на биполярных и полевых транзисторах. При расчёте усилительных устройств первоочередной задачей является проведение сравнительного анализа схемотехники усилителей аналогичного назначения. Кроме того, необходимо учитывать новейшие достижения усилительных устройств и современной элементной базы.

При проектировании усилителей рекомендуется изучить и использовать известные программные продукты, например, программу «Electronics Worckbench» с целью моделирования используемых электронных компонентов, расчёта и анализа усилительных устройств.

В учебном пособии приводится информация по изучению элементной базы электроники – дискретных биполярных и полевых транзисторов, а также усилительных устройств на их основе. Рассмотрены принцип действия полупроводниковых приборов, их устройство, эквивалентные схемы, параметры и характеристики с учётом физических процессов в элементах электронной и полупроводниковой техники. Изложены принципы построения и функционирования, параметры, характеристики и оценка искажений передачи сигнала усилительных устройств. Приведена методика расчёта и анализа усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах.

При проектировании усилительных устройств рекомендуется выполнить метрологический анализ усилительных устройств, оценку неопределённости в измерениях параметров усилителей, разработать и изготовить макет проектируемого усилителя, а также осуществить его регулировку и настройку.

В заключении курсового проекта следует указать основное направление совершенствования усилительных устройств – улучшение их качественных и количественных характеристик.

1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ,

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Выбор оптимальных конструкторских и технологических решений непосредственно связан со знанием и пониманием сущности физических явлений, происходящих как в отдельных элементах усилительных устройствах, так и в целом в радиоэлектронных средствах.

При изучении и анализе предметной области – общей электротехники и электроники – студентам необходимо изучить принципы работы основных радиоэлектронных средств, уметь читать принципиальные электрические схемы радиоэлектронных средств, в частности усилительных устройств. Следует понять методику принятия конструкторско-технологических решений в зависимости от качественных и количественных характеристик проектируемых радиоэлектронных средств.

Цели и задачи курсового проектирования:

обобщение и закрепление знаний, полученных по дисциплине «Общая электротехника и электроника»;

расширение знаний студентов о физических процессах в полупроводниковых элементах, их параметрах и характеристиках, о физических процессах, протекающих в электронных цепях и средствах с учётом влияния паразитных параметров и отклонений параметров элементов схем;

изучение методов расчёта и анализа усилительных устройств с использованием современных информационных технологий, программных продуктов и компьютерных технологий;

развитие навыков практического применения теоретических знаний и принятия инженерных решений;

освоение принципов построения усилительных устройств на основе биполярных и полевых транзисторов;

научиться работать с научно-технической и справочной литературой при изучении и проектировании усилительных устройств в соответствии с техническим заданием на проектирование;

применить знания, полученные в курсе инженерной и компьютерной графики для выполнения конструкторской документации в курсовом проекте и нормами единой системы конструкторской документации (ЕСКД);

расширить кругозор студентов в процессе самостоятельного изучения научно-технической литературы, справочников по полупроводниковым приборам и электронным устройствам как по основной, так и по дополнительной рекомендуемой литературе.

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Задание на курсовое проектирование по дисциплине «Общая электротехника и электроника» студенты дневного отделения получают в начале 4-го семестра, а студенты заочного отделения – во время установочной сессии в конце 5-го семестра. Задание на курсовое проектирование студентам выдаёт преподаватель, который ведёт данную дисциплину.

Задание может быть индивидуальным или типовым, разработанным руководителем. В рамках типового задания студенты в соответствии со своим вариантом выполняют расчёт и анализ усилительных устройств на биполярных и полевых транзисторах. Вариант типового задания определяется двумя последними цифрами номера зачётной книжки. В рамках индивидуального задания темы курсового проектирования формируются в зависимости от научного направления кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» и задач, решаемых студентами при проектировании на филиалах кафедры на базовых предприятиях радиотехнического профиля.

Индивидуальными темами курсового проекта могут быть следующие:

разработка усилительных устройств для информационно-измерительных систем;

расчёт и анализ многокаскадных усилителей переменного тока;

разработка усилительных устройств на новой современной базе;

расчёт и анализ усилительных устройств с использованием персональных компьютеров;

разработка функционального узла радиоэлектронного устройства (в пределах объёма материала изучаемой дисциплины).

Задание на курсовое проектирование выдаётся студентам на бланке задания на курсовой проект (работу) установленного образца, приведённом в стандарте предприятия СТП ТГТУ 07–97. В задании указываются тема проекта, исходные данные для проектирования, содержание и объём пояснительной записки, перечень чертёжно-графического материала и срок сдачи курсового проекта.

Исходные данные для проектирования включают информацию, которая является основной при проектировании электронных устройств: данные об источниках питания и сигнала, о виде и сопротивлении нагрузки, сведения о параметрах выходного сигнала. Дополнительные сведения, необходимые для проектирования устройства, студенты должны найти из других источников информации и привести их в пояснительной записке к проекту.

В задании на курсовой проект указывается перечень разделов пояснительной записки. Указываются разделы, которые отражают литературный обзор и его анализ по теме проекта, а также разделы, в которых будут отражены вопросы разработки устройства. Также в задании приводится перечень и форматы чертёжно-графических материалов проекта.

2.1. СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЁМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект включает пояснительную записку и чертёжно-графическую часть. Рекомендуемый объём пояснительной записки 25 – 30 страниц. Пояснительная записка и чертёжно-графическая часть проекта оформляются согласно стандарту предприятия СТП ТГТУ 07–97 (Проекты (работы) дипломные и курсовые. Правила оформления).

Пояснительная записка имеет следующее структурное оформление:

титульный лист;

ведомость проекта;

задание на курсовой проект;

аннотация;

содержание;

перечень основных условных обозначений и сокращений;

основные разделы в соответствии с утверждённым заданием на курсовой проект;

заключение;

список используемых источников;

приложения.

Титульный лист оформляется по ГОСТ 2.301–68, образец его оформления приведен в приложении Ведомость проекта содержит перечень документов, изделий, которые входят в состав курсового проекта. Ведомость проекта выполняется по ГОСТ 2.106–96.

Задание на курсовой проект является обязательным документом, без которого проект не подлежит проверке и не принимается к защите на кафедре. Задание должно быть утверждено заведующим кафедрой, подписано студентом и руководителем проекта.

В аннотации указываются тема проекта, фамилия студента и руководителя проекта, год защиты, основные проектные решения, объём пояснительной записки и чертёжно-графической части, цели и ожидаемые результаты курсового проектирования.

Содержание включает введение, наименование всех разделов и подразделов, заключение, список используемых источников, приложения с указанием номеров страниц, на которых начинается структурный элемент пояснительной записки. Каждый раздел и подраздел пояснительной записки должны иметь соответствующий заголовок.

Перечень основных условных обозначений и сокращений представляется в виде списка и формируется из используемых в пояснительной записке проекта малораспространённых сокращений и обозначений, которые повторяются не менее трёх раз.

Во введении необходимо сформулировать определение разрабатываемого устройства, его назначение, особенности устройства, провести анализ исходных данных, привести перечень определяемых параметров и характеристик, изложить задачи проекта и пути их решения.

Основные разделы пояснительной записки должны соответствовать утверждённому заданию на проектирование.

Примерный перечень основных разделов пояснительной записки для типового задания:

исходные данные для расчёта усилительного устройства;

расчёт усилителя по постоянному току;

расчёт усилителя по переменному току;

построение амплитудно-частотной характеристики усилителя;

оценка искажений усилителя.

При расчёте и анализе усилительного или другого радиоэлектронного устройства необходимо в пояснительной записке привести его электрическую схему с соответствующими обозначениями элементов. Расчёт параметров схемы должен сопровождаться пояснениями и ссылками на литературные источники при использовании малоизвестных соотношений и формул. Ссылка на литературные источники даётся в квадратных скобках.

В однотипных расчётах при разных вариантах исходных данных порядок расчёта можно сократить, а итоги расчётов привести в таблице.

В заключении приводятся итоги курсового проектирования, выводы по всем разделам проекта, анализ полученных результатов и их соответствие заданию на проектирование. Приветствуется указание направления повышения качества разрабатываемого устройства.

Список используемых источников составляется в соответствии с ГОСТ 7.32–91. В список включается литература, которой студент пользовался при выполнении проекта и на которую в тексте пояснительной записки есть ссылки. Порядок нумерации источников осуществляется по мере их упоминания в тексте.

Приложение к пояснительной записки курсового проекта состоит из перечня элементов к электрической схеме радиоэлектронного устройства, образец выполнения которого приведён в приложении Г;

спецификации (приложение Д); чертежа печатной платы макета проектируемого радиоэлектронного устройства (приложение Е); сборочного чертежа печатной платы (приложение Ж).

Чертёжно-графическая часть курсового проекта выполняется на двух или трёх листах ватмана формата А1. На листах приводятся принципиальные электрические схемы проектируемого устройства, эквивалентные схемы и частотные характеристики радиоэлектронного устройства.

При выполнении пояснительной записки и чертёжно-графической части проекта необходимо пользоваться следующими основными государственными стандартами:

ГОСТ 2.105–95 – ЕСКД. Общие требования к текстовым документам;

ГОСТ 2.301–68 – ЕСКД. Форматы;

ГОСТ 2.304–81 – ЕСКД. Шрифты чертёжные;

ГОСТ 19.401–78 – ЕСКД. Текст программы. Требования к содержанию и оформлению;

ГОСТ 2.109–73. Основные требования к чертежам;

ГОСТ 2.417–91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей;

ГОСТ 2.702–75. Правила выполнения электрических схем;

ГОСТ 2.710–81. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах;

ГОСТ 2.730–73. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые;

ГОСТ 2.759–82. Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники;

Р 51040–97. Платы печатные. Шаги координатной сетки;

ГОСТ 2.701–84. Перечень элементов к электрической схеме;

ГОСТ 2.701-2.759–68 (71). Обозначение элементов на электрической схеме;

ГОСТ 2.106–96. Оформление спецификаций;

ГОСТ 2.201–80. Обозначение изделия;

ГОСТ 2.104–68. Основная надпись листов чертежей и текстового документа проекта (работы).

При оформлении пояснительной записки курсового проекта с использованием вышеперечисленных государственных стандартов необходимо обратить внимание на следующее:

в тексте записки следует делать ссылки на чертёжно-графическую часть проекта;

все разделы записки надо начинать излагать с новой страницы;

нумерация страниц проекта сквозная, начиная с титульного листа; вторым листом является «Содержание»; в котором указываются номера страниц разделов и подразделов;

после номеров разделов и подразделов пояснительной записки точки не ставятся;

номер и название таблицы пишется следующим образом:

Таблица 1 – Параметры транзистора; в тексте слово «Таблица» пишется полностью;

– подрисуночная подпись выполняется следующим образом:

Рисунок 1 – Принципиальная электрическая схема усилителя; в тексте слово «Рисунок» пишется полностью.

После защиты курсового проекта чертёжно-графические материалы формата А1 складываются до формата А4 (в соответствии с ГОСТ 2.501–88) и вместе с пояснительной запиской складываются в папку, на которую наклеивается этикетка по образцу, приведённому в стандарте предприятия СТП ТГТУ 07–97.

3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БИПОЛЯРНЫХ

И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Биполярные и полевые транзисторы находят широкое применение в качестве основной элементной базы при проектировании современных радиоэлектронных средств и электронных устройств различного назначения.

Транзистор называется биполярным, так как в формировании тока транзистора участвуют два типа носителей заряда: положительно заряженных – дырок и отрицательно заряженных – электронов.

Полевой транзистор называют униполярным, поскольку ток в транзисторе создаётся одним типом носителей заряда: или электронами, или дырками.

Транзистор изобрели американцы У. Шокли, У. Брайттейн, Дж. Бардин в 1948 году.

3.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРОВ

Определение. Транзистором называется полупроводниковый прибор, состоящий из двух взаимодействующих электрических переходов, определяющих структуру транзистора.

Назначение. Биполярный транзистор служит для усиления входного сигнала в усилительных устройствах, при формировании генераторов сигналов и для реализации ключевых режимов работы электронных устройств: для коммутации сигналов в измерительных усилителях, в силовых преобразователях частоты и др.

Виды биполярных транзисторов. Структурно различают транзисторы следующих видов: n-p-n и pn-p (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Виды и обозначения на схемах биполярных транзисторов:

Обозначение выводов областей структуры транзистора показано на рис. 3.1, где обозначены: э – эмиттер; к – коллектор; б – база. Эмиттер предназначен для инжекции носителей заряда в базу. Инжекцией называется процесс преодоления носителями заряда потенциального барьера в p-n переходе. Коллектор служит для экстракции носителей заряда из базы. Экстракция – это процесс уменьшения концентрации неосновных носителей заряда у границ электрического перехода. База – это область в структуре биполярного транзистора, величина которой по ширине определяется диффузионной длиной неосновных носителей заряда.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Структурная схема транзистора представлена на рис. 3.2.

Структурно транзистор состоит из трёх областей: эмиттерной, коллекторной и промежуточной – базы. Биполярный транзистор имеет два перехода: эмиттерный и коллекторный. На переходы транзистора в зависимости от его режима работы и функционального назначения подают прямое или обратное напряжения.

Принцип действия транзистора заключается в следующем. Если к эмиттерному переходу транзистора приложить прямое напряжение, а к коллекторному переходу – обратное, то электроны через эмиттерный переход инжектируют в базу. В области базы осуществляется рекомбинация электронов и дырок, а также часть электронов в результате воздействия электрического поля, создаваемого напряжением коллектор – база (Uкб), поступает в коллекторный переход, где происходит их экстракция в коллектор. В результате описанных процессов формируются токи в переходах транзистора: эмиттера (Iэ), коллектора (Iк) и в области базы – ток базы (Iб).

Токи в переходах транзистора можно определить по следующим соотношениям. Ток базы коллектора можно определить как разность токов эмиттера и коллектора:

Ток коллектора можно рассчитать с помощью коэффициента передачи тока эмиттера :

где Iкбо – обратный ток из n-области в p-область транзистора.

3.1.1. Режимы работы и параметры биполярных транзисторов При задании режима работы транзистора рассматривают статический режим и динамический. В статическом режиме на электроды транзистора подают напряжения от источников питания. В динамическом режиме на электроды транзистора подают напряжения от источников питания и, кроме того, на вход транзистора поступает сигнал, подлежащий усилению, а на выход транзистора подключается нагрузка.

В статистике режимы работы биполярных транзисторов зависят от полярности напряжений, подаваемых на электроды транзистора: эмиттер, базу и коллектор.

Режимы работы транзистора. В биполярных транзисторах формируют в основном четыре режима работы:

1. Режим насыщения – к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора приложено прямое напряжение, выходной ток при этом зависит только от параметров нагрузки. Режим насыщения применяется для замыкания электрических цепей.

2. Режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении, ток в выходной цепи транзистора практически равен нулю. Режим отсечки применяется для размыкания электрических цепей.

3. Активный режим – это нормальный режим работы транзистора; формируется при смещении эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном. В активном режиме транзистор может реализовать все основные свои функции, им можно управлять. Этот режим характеризуется высоким коэффициентом передачи тока эмиттера и минимальными искажениями входного сигнала.

4. Инверсный режим – формируется при смещении эмиттерного перехода в обратном направлении, а коллекторного – в прямом. Инверсный режим характеризуется уменьшением коэффициента передачи тока эмиттера, по сравнению с активным режимом. При использовании транзисторов этот режим не находит широкого применения.

Основные параметры биполярного транзистора:

а) входное сопротивление б) выходное сопротивление в) коэффициент усиления по напряжению где Uвых, Uвх – приращения соответственно выходного и входного напряжений;

г) коэффициент усиления по току где Iвых, Iвх – приращения соответственно выходного и входного токов транзистора;

д) коэффициент усиления по мощности где Pвых, Pвх – приращения соответственно мощностей на выходе и входе транзистора.

Как правило, транзистор включают по трем основным схемам: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 3.3).

Общим называют электрод, который является общим при контроле потенциалов на входе и выходе транзистора.

Схема включения транзистора с общей базой изображена на рис. 3.3, где обозначены: напряжение Uэб – входное; Uкб – выходное.

Схема включения с ОБ характеризуется низким входным сопротивлением, усиливает входной сигнал по напряжению и мощности. Усиление по току не реализует.

Схема включения транзистора с общим эмиттером представлена на рис. 3.4, где обозначены: напряжение Uбэ – входное; Uкэ – выходное.

Рис. 3.4. Схема включения транзистора с общим эмиттером В схеме включения транзистора с ОЭ осуществляется усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности. По сравнению со схемой с ОБ, имеет большее входное сопротивление.

Схема включения транзистора с общим коллектором показана на рис. 3.5, где обозначены: напряжение Uбк – является входным; Uэк – выходным.

Схема включения с ОК называется эмиттерным повторителем. Осуществляет усиление входного сигнала по току и мощности. Не является усилителем напряжения. Имеет высокое входное сопротивление, поэтому применяется в качестве согласующего устройства между высокоомным источником сигнала и низкоомной нагрузкой, чтобы исключить влияние нагрузки на входной сигнал.

На практике наибольшее применение находит схема включения с ОЭ, так как осуществляет усиление по току, напряжению и мощности, а также схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления.

3.1.3. Статистические характеристики биполярных транзисторов Входные статические характеристики являются зависимостью между входными током и напряжением. Выходные характеристики устанавливают связь между выходными током и напряжением. Входные и выходные токи и напряжения определяются схемой включения транзистора. Входные характеристики снимаются при постоянном выходном напряжении, а выходные – при постоянном входном токе.

Входные статические характеристики для схемы с ОБ представлены на рис. 3.6, а, а на рис. 3.6, б – выходные характеристики. На выходных характеристиках показаны режимы работы транзистора. В первом квадранте характеристики соответствуют нормальному режиму работы, во втором – режиму насыщения.

Входные характеристики схемы с ОЭ приведены на рис. 3.7, а, а на рис. 3.7, б – выходные характеристики.

На выходных характеристиках отмечены: режим насыщения – левее линии ОА, ниже характеристики при Iб = 0 – режим отсечки. Область между линиями ОА и ОБ – активный режим.

Статические характеристики используются для расчёта параметров транзисторов и выбора соответствующего участка характеристики работы транзистора.

Эквивалентные схемы применяются при расчёте и анализе электрических параметров транзисторов.

В области частот для анализа переменных составляющих токов и напряжений рекомендуется использовать Т-образную эквивалентную схему, которая наиболее точно отражает структуру и физические процессы в транзисторе. Эквивалентная Т-образная схема с ОБ представлена на рис. 3.8.

По эквивалентной схеме можно определить следующие основные физические параметры транзистора.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода где Uэб – напряжение, приложенное к эмиттерному переходу; iэ – ток, протекающий в цепи эмиттера.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода где Uкб – напряжение, приложенное к коллекторному переходу; iк – ток, протекающий в цепи коллектора.

Рис. 3.8. Т-образная эквивалентная схема транзистора Диффузионное сопротивление базы Дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера При работе транзистора в активном режиме его можно рассматривать как линейный четырёхполюсник (рис. 3.9).

На рисунке 3.9. параметры i1, U1 считаются входными, а параметры i2, U2 – выходными.

Используя в качестве переменных четырёхполюсника i и U, для описания четырёхполюсника можно применить известную систему h-параметров h-параметры определяются экспериментально в режимах холостого хода на входе (i1 = 0) и короткого замыкания на выходе (U2 = 0):

– входное сопротивление транзистора – выходная проводимость транзистора – коэффициент обратной связи по напряжению транзистора – коэффициент передачи тока транзистора В зависимости от схемы включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК) будут соответствующими входные и выходные токи и напряжения. Например, для схемы с ОЭ: входной ток – iб; выходной ток – iк; входное напряжение – Uбэ; выходное напряжение – Uкэ.

1. Как формируются токи биполярного транзистора?

2. В каких режимах работает транзистор?

3. Как определяются параметры транзистора?

4. Изобразите схемы включения транзистора с ОЭ, ОБ и ОК.

5. Изложите принцип действия биполярного транзистора.

6. Поясните результаты анализа схем включения транзистора с ОЭ, ОБ и ОК.

7. Изобразите входные и выходные статистические характеристики биполярного транзистора.

8. С какой целью используются эквивалентные схемы транзистора?

9. Как выполняется расчёт параметров транзистора по эквивалентной схеме?

Поясните физический смысл h-параметров?

Как определяются h-параметры?

3.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого определяются направленным движением основных носителей заряда через проводящий канал при управлении электрическим полем.

В полевых транзисторах ток создаётся основными типами носителей заряда – электронами и дырками, поэтому их называют униполярными. Процессы инжекции и диффузии, как в биполярных транзисторах, отсутствуют. Поток носителей заряда протекает через проводящий канал и управляется электрическим полем (отсюда название транзистора – полевой). Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом, отсюда ещё одно название транзистора – канальный.

Полевые транзисторы разделяют на два класса: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Металлический электрод, создающий эффект поля, называется затвором (З). Два других электрода – исток (И) и сток (С). Сток и исток могут изменять свое назначение при определённой полярности напряжения. Стоком из них считается электрод, к которому движутся носители заряда. Например, если канал p-типа, то носителями заряда будут дырки, а полярность стока – отрицательная.

Достоинством полевого транзистора является высокая технологичность и большое входное сопротивление.

Обозначение полевых транзисторов на схемах показано на рис. 3.10:

а) с управляющим p-n-переходом и n-каналом;

б) с управляющим p-n-переходом и p-каналом;

в) с изолированным затвором и индуцированным p-каналом;

г) с изолированным затвором и индуцированным n-каналом;

д) с изолированным затвором и со встроенным n-каналом;

е) с изолированным затвором и со встроенным p-каналом.

3.2.2. Структура и принцип действия полевых транзисторов Рассмотрим структуру и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и n-каналом показана на рис. 3.11.

Транзистор включён по схеме с общим истоком. При подаче напряжения сток-исток (Uси) через nканал протекает ток стока (Iс). В результате приложения Uзи изменяется область объёмного заряда (b), что приводит к изменению токопроводящего сечения проводящего канала (а).

При достижении отрицательного напряжения затвор-исток (Uзи) величины больше, чем Uзи отсечки (Uзи отс), т.е. Uзи > Uзи отс, увеличивается сечение проводящего канала, по которому протекает ток стока (Ic) от стока к истоку. Увеличение отрицательного напряжения на обратно смещённом p-n-переходе Uзи приводит к сужению проводящего канала и уменьшению Iс. При достижении отрицательного напряжения Uзи = Uзи отс ток стока практически равен нулю.

В полевом транзисторе с p-каналом управляющее напряжение Uзи должно быть положительным.

Рис. 3.11. Структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом Выходные вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показаны на рис. 3.12. Вольтамперные характеристики полевого транзистора являются выходными статистическими характеристиками при постоянном напряжении на затворе Uзи. Особенностью характеристик является наличие трёх областей: линейной, насыщения и электрического пробоя.

Передаточные вольтамперные статические характеристики изображены на рис. 3.13, представляют собой зависимость тока стока Ic от напряжения Uзи при постоянном напряжении Uси.

Рис. 3.13. Передаточные вольтамперные характеристики Основные параметры. Крутизна характеристики определяется через приращения тока стока Iс и напряжения затвор – исток Uзи при постоянном напряжении сток – исток Uси Выходное дифференциальное сопротивление рассчитывается по формуле Сопротивление открытого канала равно Коэффициент усиления Параметры полевого транзистора с управляющим p-n-переходом можно определить по вольтамперным выходным и передаточным статическим характеристикам транзистора.

3.2.3. Структура и принцип действия полевых транзисторов Рассмотрим структуры и принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором и со встроенным каналом (структуры МОП – металл-окисел-полупроводник).

Полевой транзистор с изолированным затвором и со встроенным каналом. Структура транзистора показана на рис. 3.14.

Полевой транзистор с изолированным затвором работает в двух режимах: обеднения и обогащения.

В режиме обеднения для канала n-типа на затвор подаётся отрицательное напряжение, которое отталкивает электроны во встроенном канале. При этом создаются обеднённые слои между каналом и изолирующим слоем окисла, ток стока уменьшается. В режиме обогащения для канала p-типа на затвор податся положительное напряжение. В этом случае ток стока увеличивается за счёт поступления электронов в проводящий канал из области подложки.

Полевой транзистор с индуцированным каналом. Структура полевого транзистора с индуцированным каналом представлена на рис. 3.15.

Рис. 3.14. Структура полевого транзистора с изолированным Рис. 3.15. Структура полевого транзистора с индуцированным каналом Области n+ вокруг истока и стока при напряжении на затворе, равном нулю, представляют собой два встречно включённых диода, и ток стока при этом незначителен. При подаче положительного напряжения на затвор к изолирующей прокладке затвора притягиваются электроны из p-подложки и на затворе транзистора индуцируется проводящий канал. В результате увеличивается ток стока. Полевой транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Параметры и характеристики полевого транзистора с изолированным каналом соответствуют параметрам и характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА БИПОЛЯРНЫХ

И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Классификация транзисторов осуществляется в основном по функциональному назначению, по диапазону рабочих частот и по мощности.

По функциональному назначению биполярные и полевые транзисторы разделяются на три класса: усилительные, переключательные и генераторные. Транзисторы, отнесённые к соответствующему классу, имеют характерные для рассматриваемого класса параметры и характеристики.

По диапазону частот транзисторы разделяются следующим образом в зависимости от граничной частоты:

низкочастотные (до 30 МГц);

высокочастотные (до 300 МГц);

сверхвысокочастотные (более 300 МГц).

Классификация транзисторов по мощности следующая:

малой мощности (до 0,3 Вт);

средней мощности (до 1,5 Вт);

большой мощности (свыше 1,5 Вт).

Маркировка транзисторов выполняется буквенно-цифровая. Маркировку рассмотрим на примере следующего обозначения транзистора КТ 315 А:

В таблице позиции 1 – 5 означают следующее:

1 – материал, из которого изготовлен транзистор (1 или Г, германий; 2 или К – кремний, 3 или А – арсенид галлия);

2 – буква определяет тип транзистора (Т – биполярный, П – полевой);

3 – цифра обозначает мощность и частоту транзистора;

по мощности:

– 1, 2, 3 – малой мощности;

– 4, 5, 6 – средней мощности;

– 7, 8, 9 – большой мощности;

по диапазону рабочих частот:

– 1, 2, 3 – до 30 МГц (малой мощности);

– 4, 5, 6 – до 30МГц (средней мощности);

– 7, 8, 9 – до 30 МГц (большой мощности).

4 – две цифры определяют номер разработки типа транзистора по технологии изготовления;

5 – буква означает параметрическую группу транзисторов.

1. Каков принцип действия полевых транзисторов?

2. Какие виды полевых транзисторов Вы знаете?

3. В чём отличие структур полевых транзисторов со встроенным и индуцированным каналами?

4. Какие параметры полевых транзисторов Вы знаете?

5. В чём отличие принципов действия полевого транзистора и биполярного?

6. Каковы величины входного и выходного сопротивлений полевого транзистора?

7. Поясните классификацию и систему обозначений транзисторов.

8. Какие режимы работы полевого транзистора Вам известны?

9. Поясните статические характеристики полевого транзистора.

В чём преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными?

4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Усилительные устройства предназначены для усиления входного сигнала по току, напряжению и мощности в зависимости от схем включения биполярного или полевого транзисторов.

Электронные усилители применяются в измерительной аппаратуре, радиоэлектронных средствах, радиопередающих и радиоприёмных устройствах, информационно-измерительных и телекоммуникационных системах, а также в качестве отдельно функционирующего блока.

4.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Обозначение усилителя на электрических схемах и структурная схема показаны на рис. 4.1, где 1 – входное напряжение; 2 – выходное напряжение переменного сигнала; Ег – генератор входного сигнала;

Rг – внутреннее сопротивление генератора.

Рис. 4.1. Обозначение усилителя на электрических схемах (а) Структурно усилитель может состоять из одного усилительного каскада на базе усилительного элемента или же из нескольких каскадов – многокаскадный усилитель.

Функциональные возможности и характеристики усилителя зависят от обратных связей. Обратная связь осуществляется при подаче сигнала с выхода усилителя на его вход. Обратная связь влияет на входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, полосу пропускания, искажения усилителя.

Различают следующие виды обратных связей: последовательная по току и напряжению, параллельная по току и напряжению. Каждая из этих видов связей может быть как положительной, так и отрицательной. При действии положительной обратной связи величина напряжения сигнала обратной связи суммируется с напряжением входного сигнала. При действии отрицательной обратной связи напряжение сигнала обратной связи вычитается из напряжения входного сигнала.

Классификация усилителей. В зависимости от вида усиливаемой величины различают усилители тока, напряжения и мощности, по типу сигнала-импульсных и гармонических сигналов. Существуют усилители переменного и постоянного тока. Усилители, работающие в диапазоне частот до сотен кГц, относятся к усилителям низкой частоты (УНЧ), а работающие в частотном диапазоне до сотен МГц – относятся к усилителям высокой частоты (УВЧ). Кроме того, бывают широкополосные и избирательные усилители.

В широкополосном усилителе обеспечивается одинаковое усиление в широком диапазоне частот.

Избирательный усилитель усиливает входной сигнал в заданной полосе. По виду нагрузки усилители бывают с активной, индуктивной, ёмкостной и резонансной нагрузками.

Усилительные каскады могут применяться в качестве усилителя промежуточной частоты в устройствах радиосвязи, предварительного усилителя для усиления сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу оконечного усилителя, в качестве оконечного усилителя мощности в нагрузке, резонансного усилителя, видеоусилителя, применяющегося в телевизионных системах.

Усилители как отдельные блоки используются в качестве усилителей звуковой частоты, измерительных усилителей и антенных усилителей в радиопередающих и радиоприёмных устройствах.

4.2. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ИСКАЖЕНИЯ

В УСИЛИТЕЛЯХ

Параметры усилителя.

1. Усилительные параметры:

а) коэффициент усиления по напряжению равен б) коэффициент усиления по току в) коэффициент усиления по мощности В приведённых формулах для расчёта усилительных параметров индексы «1» параметров соответствуют входным величинам, а индексы «2» – выходным величинам.

2. Входное сопротивление – определяется для согласования усилителя с источником входного сигнала и рассчитывается по формуле где Rн – сопротивление нагрузки.

3. Выходное сопротивление – определяется для согласования усилителя с нагрузкой, рассчитывается следующим образом:

4. Выходная мощность усилителя (мощность в нагрузке) Характеристики усилителя.

1. Важнейшей характеристикой усилителя является его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ – это зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала (рис. 4.2). По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя – диапазон рабочих частот, в пределах которого коэффициент усиления (KU) не снижается ниже 1/ 2 от максимального значения. Полоса пропускания определяется, как следует из АЧХ на рис. 4.2, следующим образом:

где в – верхняя частота полосы пропускания; н – нижняя частота.

Рис. 4.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя На рисунке 4.2 KU max – максимальное значение коэффициента усиления по напряжению; KU () – коэффициент усиления на частоте.

2. Искажения сигналов в усилителе. Существуют два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные), к которым относятся частотные и фазовые.

Изменение формы выходного напряжения, обусловленное дополнительными гармоническими составляющими в спектре выходного сигнала, относится к нелинейным искажениям. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник Kг, который характеризует отличие формы выходного сигнала от гармонической и представляет собой отношение среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник выходного сигнала усилителя, кроме первой, к среднеквадратическому напряжению первой гармоники:

где Ui – амплитуда напряжения i-й гармоники на выходе усилителя.

К частотным искажениям относится изменение формы выходного напряжения Uвых, вызванное изменением относительных значений амплитуд отдельных гармонических составляющих спектра выходного сигнала по сравнению со спектром входного сигнала. Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений M, который определяется по формуле где K0 – коэффициент усиления на средней частоте; K – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте.

Фазовые искажения характеризуются изменением формы Uвых, которое обусловлено неодинаковым сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих в спектре выходного сигнала.

Чувствительность усилителя – величина сигнала, определяющегося минимальными значениями тока, напряжения или мощности на входе усилителя, которые определяют заданные ток, напряжение или мощность в нагрузке.

4.3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРАХ ПРИ ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКАХ

Усилительные каскады, выполненные на биполярных транзисторах, в зависимости от схемы включения транзистора бывают трёх видов: с общим эмиттером, базой и коллектором. Усилительные каскады на полевых транзисторах различают с общим истоком, стоком и затвором. Основные особенности усилительных каскадов: каскад с общим эмиттером являются фазоинверсным (сдвигает фазу сигнала на 180°);

каскады с общим коллектором и стоком применяются в качестве согласующих устройств между высокоомным источником сигнала и нагрузкой.

В качестве примеров рассмотрим схемы усилителей на биполярном и полевом транзисторах.

Схема усилителя на биполярном транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером при постоянном токе, приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема усилительного каскада с ОЭ при постоянном токе Усилительный каскад с ОЭ, приведённый на рис. 4.3, фазоинверсный, фазы выходного и входного напряжения отличаются на 180°. Резистор Rк является нагрузочным в цепи коллектора транзистора VT.

Выходное напряжение снимается с нагрузки, подключённой к коллектору транзистора VT.

Принципиальная электрическая схема усилителя с ОЭ при переменном токе представлена на рис.

4.4.

На схеме усилителя резистор Rк является нагрузочным в цепи коллектора по постоянному току и определяет его усилительные свойства. Конденсаторы Cp1 и Cp2 – разделительные, необходимы для того, чтобы не пропускать в нагрузку постоянную составляющую сигнала и чтобы источник входного сигнала и нагрузка не изменяли режим работы транзистора по постоянному току. Резисторы R1 и R2 составляют делитель напряжения, задающим напряжение смещения, которое определяет положение рабочей точки. Через резистор Rэ формируется последовательная отрицательная обратная связь по току, служащая для стабилизации рабочей точки. Конденсатор Cэ является шунтирующим в режиме переменного тока, обеспечивающим стабильное положение рабочей точки, заданное в режиме постоянного тока.

Рис. 4.4. Принципиальная электрическая схема усилителя с ОЭ Схема усилительного каскада с ОЭ усиливает входной сигнал по току, напряжению и мощности.

Имеет приблизительно равные входное и выходное сопротивления, что обеспечивает удобство согласования по сопротивлению при применении в многокаскадных усилителях.

Рабочая точка усилителя. Рабочей точкой считаются ток и напряжение на выходе транзистора при отсутствии входного сигнала.

Рабочая точка определяется по статическим входной и выходной характеристикам транзистора. Построение рабочей точки показано на рис. 4.5. на примере статистических характеристик транзистора с ОЭ.

Рис. 4.5. Статистические входная (а) и выходная (б) характеристики Для определения положения рабочей точки на входной характеристике iб = f (Uбэ) начало линейного участка характеристики обозначим iб min. Этому значению на выходной характеристике соответствует iк min. Построим на выходных характеристиках нагрузочную прямую в режимах короткого замыкания и холостого хода. В режиме короткого замыкания (Uбэ = 0) iк =, где U п – напряжение питания. Этому значению на рис. 4.5 соответствует точка 1. В режиме холостого хода ( iк = 0 ) U кэ = U п. На рис. 4.5 это значение показано точкой 2. Через точки 1 и 2 проводим нагрузочную прямую. Точка пересечения нагрузочной прямой и линии ON, показывающей границу режимов работы транзистора насыщения и активного, соответствует iк max и iб max. Ток коллектора покоя iкп определяется следующим образом:

На нагрузочной прямой этому значению тока соответствует рабочая точка а. Для рабочей точки показано напряжение покоя U кэп. На входную характеристику перенесём с рис. 4.5, б значения iбп, iб max ; обозначим рабочую точку а и напряжение смещения UБЭП, которое определяет режим работы транзистора. Положение рабочей точки а в середине нагрузочной прямой соответствует классу усиления (режиму работы усилителя) А.

Стабилизация рабочей точки усилителя. Воздействие внешних дестабилизирующих факторов влияет на ток покоя транзистора в усилительном каскаде и изменяет режим работы усилителя. Основными дестабилизирующими факторами являются: нестабильность напряжения питания, изменения температуры окружающей среды и сопротивления нагрузки.

Для стабилизации рабочей точки усилителя применяются три основные метода: термокомпенсации, термостабилизации и параметрической стабилизации.

В методе термокомпенсации в усилительном каскаде, например, с ОЭ в цепь база-эмиттер ставится компенсационный элемент – диод (VD) или термистор (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема усилительного каскада с ОЭ, реализующая метод Принцип термокомпенсации заключается в том, что при воздействии температуры окружающей среды температурные изменения напряжения на диоде VD компенсируют температурные изменения напряжения перехода база-эмиттер. В результате выходной ток транзистора остаётся стабильным. Резистор Rсм вместе с диодом VD образуют делитель напряжения, который служит для задания рабочей точки транзистора.

Метод термостабилизации усилителя по схеме с ОЭ основан на применении отрицательной обратной связи при воздействии на усилитель температуры окружающей среды. К методам термостабилизации относятся методы коллекторной и эмиттерной стабилизации. Например, реализация метода эмиттерой стабилизации показана в схеме на рис. 4.7, на которой введены следующие обозначения: Ес – источник входного сигнала; Rвн – внутреннее сопротивление источника входного сигнала; Rэ – сопротивление эмиттерного перехода; Cэ – шунтирующий конденсатор большой ёмкости.

Сигнал отрицательной обратной связи поступает на базу транзистора, уменьшая при этом коэффициент усиления, что позволяет стабилизировать параметры каскада, расширить частотную полосу пропускания, увеличить входное сопротивление, уменьшить искажения усилителя.

В методе параметрической стабилизации в цепь база-эмиттер вводится дополнительный транзистор, осуществляющий, например, коллекторную стабилизацию при действии параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. При этом стабилизируется ток коллектора покоя транзистора, на базе которого выполнен усилитель.

4.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Схема усилителя на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим стоком (ОС), приведена на рис. 4.8, на котором обозначено: Rг – внутреннее сопротивление источника входного сигнала (генератора); Rз – сопротивление затвора, которое формирует и стабилизирует входное сопротивление каскада; Rи – сопротивление истока, которое задаёт начальное смещение рабочей точки и её стабилизацию в результате действия через Rи последовательной отрицательной обратной связи по току.

Схема усилителя с ОС имеет большое входное и низкое выходное сопротивления, поэтому применяется в качестве согласующего устройства между высокоомным источником сигнала и низкоомной нагрузкой, чтобы исключить влияние нагрузки на входной сигнал.

Рис. 4.8. Принципиальная электрическая схема усилителя Усилитель обеспечивает усиление входного сигнала по току и мощности, не является усилителем напряжения, коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, а по току – 102... 103. Назначение элементов в схеме с ОС аналогичное схеме усилителя с ОЭ на биполярном транзисторе. Усилитель с ОС не инвертирует фазу усиливаемого сигнала.

Какие виды усилителей в зависимости от диапазона рабочей частоты Вы знаете?

2. Как подразделяются усилители по виду нагрузки?

3. Какие параметры усилителей Вы знаете?

4. Как определить полосу пропускания усилителя по амплитудно-частотной характеристике?

5. Какими факторами определяются линейные и нелинейные искажения в усилителе?

6. Какую роль играет разделительный конденсатор в усилительных каскадах переменного тока?

7. Какие обратные связи в усилителях Вы знаете?

8. Как влияют обратные связи на параметры и характеристики усилителя?

9. Как определить параметры (I, U) рабочей точки усилителя?

10. Как сформировать требуемый режим работы усилителя?

11. Какие основные схемотехнические методы стабилизации рабочей точки Вы знаете?

12. Изобразите электрические принципиальные схемы усилительных каскадов на биполярном и полевом транзисторах, поясните назначение элементов на схемах и обратных связей.

13. Чем определяются входное и выходное сопротивления истокового повторителя?

14. Почему коэффициент передачи по напряжению истокового повторителя меньше единицы?

15. В чём преимущество истокового повторителя, по сравнению со схемой с общим истоком?

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, РАСЧЁТ

И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА КОМПЬЮТЕРЕ

Проектирование современных радиоэлектронных средств требует обеспечения высокой точности и качества изготовления. Поэтому при разработке радиоэлектронных средств применяются компьютерные методы разработки ввиду сложности и объёмности выполняемых работ.

Приложение Electronics Workbench представляет собой средство программной разработки и имитации электрических цепей. Программный комплекс может применяться как на предприятиях радиотехнического профиля, так и в высших учебных заведениях, занимающихся изучением и разработкой радиоэлектронных устройств.

Программа Electronics Workbench может производить большое количество анализов радиоэлектронных устройств, занимающих достаточно много времени при стандартных методах разработки, а также включает в себя большое количество моделей радиоэлектронных устройств, наиболее известных производителей.

Программный комплекс Electronics Workbench прост в обращении и не требует глубоких знаний в компьютерной технике. Интерфейс программы можно освоить за несколько часов работы.

5.1. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ И РАСЧЁТУ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

НА КОМПЬЮТЕРЕ

В настоящее время компьютерное моделирование становится необходимым при проектировании усилительных устройств, их расчёте и анализе. Целью компьютерного моделирования является определение оптимального варианта схемотехнического решения при проектировании усилителя в соответствии с техническим заданием. В качестве критерия оптимальности выбираются стабильность работы, точность выходных параметров и характеристик.

Применение компьютерного моделирования связано с необходимостью анализа работы усилительных устройств в условиях некоторой неопределённости, которая обусловлена следующими основными причинами:

а) воздействие на усилитель внешних и внутренних дестабилизирующих факторов:

нестабильность напряжения питания;

изменение температуры окружающей среды;

зависимость параметров усилителя от частоты;

изменение влажности окружающей среды;

изменение сопротивления нагрузки;

неточность используемой электрической схемы;

старение используемой элементной базы;

воздействие электромагнитных полей;

несовершенство технологии изготовления компонентов усилителя;

влияние на параметры усилителя паразитных индуктивностей, ёмкостей и сопротивлений проводников печатной платы;

скрытые дефекты применяемых компонентов: резисторов, конденсаторов, транзисторов;

б) неточность исходной информации для расчёта усилителя:

интервальное значение параметров элементной базы (коэффициентов передачи тока транзисторов, параметров используемой элементной базы в зависимости от условий эксплуатации, режимов измерений, предельных эксплуатационных режимов и условий работы усилительных устройств);

сохранение работоспособности усилительных устройств на этапах жизненного цикла независимо от условий эксплуатации и изменения внешних и внутренних факторов.

Компьютерное моделирование усилителей позволит осуществить имитационные эксперименты по исследованию влияния воздействующих дестабилизирующих факторов на выходные параметры и характеристики усилительных устройств, найти оптимальные значения параметров усилителей и получить аналитические зависимости между исследуемыми параметрами и характеристиками и дестабилизирующими факторами в заданном диапазоне их возможного изменения.

Подготовка студентов к проведению компьютерного моделирования, анализа и расчёта усилительных устройств заключается в изучении теоретического материала по проектированию усилительных устройств, принципов действия базовых усилительных элементов – транзисторов, усилителей и происходящих в них физических процессов, а также в изучении методов расчёта и анализа усилительных устройств. Студенты должны изучить поставленную задачу и знать, какие цели и результаты могут быть достигнуты при её решении.

При подготовке к моделированию на компьютере студенты должны выполнить следующее:

изучить принципиальную электрическую схему усилительного устройства, назначение и принцип действия элементов в схеме, назначение обратных связей;

знать предполагаемые величины параметров элементов и вид выходных характеристик;

обосновать схему замещения усилительного устройства для анализа процессов;

подготовить исходные данные для расчётов в соответствии со своим вариантом или индивидуальным заданием преподавателя, справочные данные параметров и характеристик, используемых в усилителе элементов и привести их к единой системе единиц СИ;

изучить используемую в данном курсовом проекте для моделирования, расчёта и анализа усилительных устройств на компьютере программу Electronics Workbench.

Компьютерное моделирование предполагает использование математических моделей вместо реальных объектов усилителей – полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов, источников входных сигналов. При математическом моделировании усилительного устройства в компьютер вводится информация о компонентах усилителя и с помощью графического редактора используемой программы Electronics Workbench на мониторе компьютера формируется исследуемая электрическая принципиальная схема усилительного устройства. При математическом моделировании усилителя компоненты электрической схемы с помощью программы заменяются соответствующими эквивалентными схемами и математическими выражениями.

Программа Electronics Workbench позволяет моделировать все режимы и выполнять анализ работы усилителя: по постоянному и переменному току, динамический режим при наличии переходных процессов в схеме, при воздействии дестабилизирующих факторов, исследовать шумовые свойства усилителя. В режиме по переменному току при воздействии на вход усилителя переменного сигнала определяются и выполняется анализ амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик.

Анализ работы электрической схемы усилительного устройства проводится при варьировании значениями параметров элементов схемы в допустимых пределах их изменения для рассматриваемой схемы. Параметрическая оптимизация параметров элементов схемы при поиске оптимального схемотехнического варианта выполняется в соответствии с заданными критериями – стабильность и точность работы усилительного устройства.

Компьютерное моделирование позволяет выполнить не только анализ и расчёт электрической схемы усилителя, но и учитывать влияние паразитных индуктивностей, ёмкостей и сопротивлений проводников печатной платы с последующей коррекцией схемы усилителя и технологического процесса изготовления печатной платы. Рекомендуемый программный комплекс Electronics Workbench содержит программу разработки печатных плат.

5.2. ОПИСАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH

Интерфейс программного комплекса Electronics Workbench. Интерфейс пользователя состоит из полоски меню, панели инструментов и рабочей области (рис. 5.1).

Полоса меню состоит из следующих компонент: меню работы с файлами File, меню редактирования Edit, меню работы с цепями Circut, меню анализа схем Analysis, меню работы с окнами Window, меню работы с файлами справок Help.

Особенностью программы является наличие в панели инструментов ряда кнопок с изображением элементов радиоэлектронных схем (рис. 5.2).

Нажатие одной из этих кнопок приводит к появлению соответствующего раздела на панели инструментов, в котором находятся элементы схем.

Построение схем. Процесс построения схемы состоит из двух этапов.

Этап 1. Перенос элементов из панелей инструментов на рабочую область и примерное расположение элементов на своих местах. При этом полезно пользоваться кнопками вращения элементов, изображёнными на рис. 5.3.

Этап 2. Соединение контактов элементов. Для соединения необходимо:

навести курсор мыши на вывод элемента так, чтобы появилась чёрная точка контакта • нажать левую клавишу мыши, и не отпуская её, провести проводник к элементу, с которым надо установить соединение • отпустить клавишу мыши, когда проводник достигнет вывода другого элемента и появится его точка контакта В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Для этого нужно перетащить элемент (узел) с панели инструментов на проводник, который надо разветвить.

Этап 3. Задание номиналов элементов. Двойной щелчок на элементе приводит к появлению диалогового окна его свойств. Содержание окна свойств существенно зависит от типа элемента. Общими для всех окон свойств являются закладки Label и Fault. В первой из них задаётся имя элемента и его обозначение (название) на схеме, во второй –возможные неисправности элемента.

Для удаления участка цепи необходимо его выделить и нажать клавишу Del.

Элементарная база Electronics Workbench. Программный комплекс обладает богатой элементарной базой. Рассмотрим наиболее часто используемые элементы.

Источники постоянного напряжения и тока, применяемые в программе для питания электронных схем, представлены на рис. 5.4. Источники напряжения и тока собраны в панели инструментов Sources.

Источник постоянного напряжения VCC (рис 5.4, а) применяется для питания цифровых схем. Батарея (рис. 5.4, б) используется для питания аналоговых и цифровых схем. Источник постоянного тока показан на рис. 5.4, в.

Источники переменного напряжения и тока применяются в качестве входных сигналов в электронных схемах. Различные источники сигналов приведены на рис. 5.5.

В источнике переменного напряжения (рис. 5.5, а) задаётся эффективное значение напряжения, частота и фаза сигнала. В источнике переменного синусоидального тока (рис. 5.5, б) задаётся эффективное значение тока, частота и фаза сигнала. В источнике прямоугольных импульсов (рис. 5.5, в) задаётся амплитуда, частота и коэффициент заполнения импульсов.

Коэффициент заполнения равен где и – длительность входного импульса; T – период колебаний.

Величина коэффициента заполнения обратна скважности. Коэффициент заполнения проставляется в строке Duty Cycle диалогового окна свойств элемента. Функциональный генератор (рис. 5.5, г) находится в панели Instruments, имеет два противофазных выхода и может генерировать сигналы синусоидальной, треугольной или прямоугольной формы.

Для индикации сигналов в программе Electronics Workbench имеется ряд индикаторных приборов.

Вольтметр. Измеряет в режиме DC постоянное напряжение и в режиме АС – переменное. Утолщенная линия вывода соответствует отрицательному потенциалу.

схемах применены обозначения амперметра и вольтметра согласно отечественным ГОСТ).

выводам двоично-десятичного счётчика.

Десятисегментный светодиодный индикатор.

Панель инструментов Basic содержит пассивные компоненты (рис. 5.6).

Панель инструментов содержит также следующие коммутационные элементы:

Реле времени с программируемым временем переключения.

Выключатель, срабатывающий в заданном диапазоне входных напряжений.

Выключатель, срабатывающий в заданном диапазоне входного тока.

Активные приборы представлены как дискретными компонентами: диоды (панель Diodes), биполярные, полевые, МДП транзисторы (панель Transistors), так и аналоговыми (панель Analog ICs) и цифровыми (панели Digital ICs, Logic Gates, Digital) микросхемами. Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи находятся в панели Mixed ICs.

Контрольно-измерительные приборы программного комплекса Electronics Workbench находятся в панели Instruments и включают: цифровой мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф, измеритель амплитудно-частотных характеристик, генератор слов (кодовый генератор), 16канальный логический анализатор и логический преобразователь.

Общий порядок работы с приборами следующий.

Мультиметр. На лицевой панели мультиметра (рис. 5.7, а) расположен дисплей для отображения результатов измерения, клеммы для подключения к схеме и кнопки управления.

Нажатие кнопки Setting на лицевой панели мультиметра открывает диалоговое окно (рис. 5.7, б), на котором обозначены:

Ammeter resistance – внутреннее сопротивления амперметра;

Voltmeter resistance – входное сопротивление вольтметра;

Ohmmeter current – ток через контролируемый объект;

Decibel standard – установка эталонного напряжения V1 при измерении ослабления или усиления в децибелах (по умолчанию V1 = 1 B).

При этом для коэффициента передачи используется формула:

где V2 – напряжение в контролируемой точке.

Осциллограф. Лицевая панель осциллографа приведена на рис. 5.8.

Осциллограф имеет два канала (CHANNEL А и В) с раздельной регулировкой чувствительности от 10 мкВ/дел до 5 кВ/дел и регулировкой смещения по вертикали (YPOS). Режим по входу выбирается кнопками АС (наблюдается только переменный сигнал) и DC (наблюдается переменная и постоянная составляющие сигнала). Обычный режим развёртки (по вертикали – напряжение сигнала, по горизонтали – время) выбирается кнопкой Y/T. В режиме В/А по вертикали откладывается напряжение канала В, по горизонтали – канала А. В режиме Y/T длительность развёртки (Time Base) может быть задана в пределах от 0,1 нс/дел до 1 с/дел. Развёртка может иметь ждущий режим (Trigger) с запуском (Edge) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала при регулируемом уровне (Level) запуска. Режимы запуска развертки выбираются либо Auto (от канала А или В), от канала А, от канала В или от внешнего источника (Ext). При нажатии на кнопку Expand экран осциллографа увеличивается. Появляются две визирные линии, с помощью которых можно измерять напряжение, временные интервалы и их приращения. Возврат к исходному состоянию осциллографа осуществляется нажатием на кнопку Reduce.

Измеритель амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ), (Bode Plotter).

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ приведена на рис. 5.9. Измеритель предназначен для анализа АЧХ (при нажатой кнопке Magnitude) и ФЧХ (при нажатой кнопке Phase) в логарифмическом или линейном масштабе (кнопки Log и Lin). Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи по вертикальной оси и вариации частоты по горизонтальной оси (F – максимальное значение, I – минимальное). Считывание показаний АЧХ-ФЧХ производится с помощью визирной линии, перемещаемой мышью или кнопками и. Входы измерителя Вх и Вых подключаются ко входу и выходу исследуемого устройства соответственно.

Моделирование схем можно проводить одним из следующих способов.

Первый способ. Если в схеме установлены измерительные приборы, то она запускается на моделирование включением напряжения питания тумблером, расположенным в правой верхней части экрана.

Там же расположена кнопка Pause, с помощью которой можно зафиксировать процесс моделирования в определённом состоянии. На экране осцил-лографа просматриваются графики сигналов в выбранных узлах.

Для лучшего визуального просмотра на осциллографе подбираются необходимые чувствительность по вертикальному каналу и длительность развёртки.

Второй способ. При этом способе измерительные приборы (например, осциллограф) на схеме не устанавливаются. Желательно сделать видимыми номера узлов с помощью команды Circuit/Schematic Options/Show nodes. Затем назначается вид анализа из меню Analysis. Например, анализ АЧХ выполняется – по команде Analysis/ AC Frequency, анализ переходных процессов – по команде Analysis/Transient, анализ по постоянному току – по команде Analysis/ DC Operating Point и др.

Далее в диалоговом окне устанавливаются параметры анализа и узлы, в которых просматриваются результаты моделирования (в поле Nodes for Analysis). Процесс моделирования запускается нажатием на кнопку Simulate. Графики моделирования представляются в окне Analysis Graphs. Окно можно увеличить на весь экран. Параметры сигналов просматриваются с помощью двух визирных линий, появляющихся после щелчка на значке Toggle Cursors. (Эту команду можно выполнить и из контекстного меню). Визирные линии перемещаются мышкой и устанавливаются в необходимом месте. Параметры сигналов отражаются в динамическом окне.

Виды анализа в Electronics Workbench. Рассмотрим меню Analysis программного комплекса. Первые три команды Activate, Pause и Stop аналогичны кнопкам и.

DC Operating Point – расчёт режима по постоянному току. В этом режиме из моделируемой схемы исключаются все конденсаторы и закорачиваются все индуктивности.

AC Frequency... – расчёт частотных характеристик. Выполнение команды начинается с задания в диалоговом окне (рис. 5.10) следующих параметров:

FSTART, FSTOP – границы частотного диапазона;

Sweep type – масштаб по горизонтали (декадный, линейный или октавный);

Number of point – число рассчитываемых точек;

Vertical scale – масштаб по вертикали (линейный, логарифмический или в децибелах);

Nodes in circuit – список контрольных точек (нод) узлов цепи;

Nodes for analysis – номера нод, для которых рассчитываются характеристики.

Transient... – расчёт переходных процессов. Диалоговое окно команды (рис. 5.11) содержит следующие пункты:

Initial conditions – установка начальных условий моделирования (Set to Zero – нулевое исходное состояние;

User-defined – под управлением пользователя;

Calculate DC operating point – начальные условия берутся из расчёта режима по постоянному току);

TSTART и TSTOP – время начала и окончания анализа переходных процессов;

Generate time steps automatically – расчёт переходных процессов с переменным шагом, выбираемым автоматически;

Tsteps – временной шаг вывода результатов моделирования на экран.

Fourier... – проведение спектрального анализа. Параметры моделирования задаются с помощью диалогового окна (рис. 5.12), в котором опции имеют следующие назначения:

Output node – номер контрольной точки, в которой анализируется спектр сигнала;

Fundamental frequency – основная частота колебания (частота первой гармоники);

Number harmonic – число анализируемых гармоник;

Vertical scale – масштаб по оси Y;

Advanced – набор опций этого блока предназначен для проведения более тонкой структуры анализируемого сигнала;

Number of points per harmonic – количество отсчётов на одну гармонику;

Sampling frequency – частота следования выборок;

Display phase – вывод на экран распределения фаз всех составляющих в виде непрерывной функции (по умолчанию выводится только график амплитуд);

Output as line graph – вывод на экран распределения амплитуд гармоник в виде непрерывной функции (по умолчанию – в виде линейчатого спектра).

Monte Carlo... – статистический анализ по методу Монте-Карло. В диалоговом окне (рис. 5.13) задаются следующие основные параметры:

Number of runs – количество статистических испытаний;

Tolerance – отклонения параметров резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников переменного и постоянного тока и напряжения;

Speed – начальное значение случайной величины (0...32767);

Distribution type – закон распределения случайных чисел.

Рис. 5.12. Диалоговое окно задания параметров моделирования 1. Какие стандартные элементы имеются в библиотеке Electronics Workbench?

2. Как производится соединение более двух входов или выходов?

3. Какой командой можно скопировать изображение схемы, подготавливаемый в текстовом редакторе MS Word?

4. Как в программе Electronics Workbench выполнить анализ цепи по постоянному току?

5. Как в программе Electronics Workbench выполнить анализ частотных характеристик цепи?

6. Как в программе Electronics Workbench выполнить анализ переходных процессов?

6. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УТРОЙСТВ

В курсовом проекте предусмотрено изготовление макетного образца усилительного устройства и проведение его экспериментальных исследований с последующей обработкой результатов экспериментов и проведением метрологического анализа. Полученные выводы после обработки результатов экспериментов и метрологического анализа используются при внесении коррекции в методику расчёта и математического моделирования усилительных устройств.

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Результаты измерений параметров усилителя ввиду воздействия внешних и внутренних дестабилизирующих факторов будут отличаться от истинного значения измеряемого параметра на некоторую величину, которая называется погрешностью измерения. Погрешности измерений зависят от метрологических характеристик средств измерений выбранного метода измерения и воздействующих факторов.

Абсолютная погрешность измерений где хизм – измеренное значение величины параметра; хд – действительное (истинное) значение измеряемого параметра.

Относительная погрешность измерений определяется отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемого параметра Основная погрешность – погрешность измерений, полученная при нормальных условиях эксплуатации.

Дополнительная погрешность – дополнительная составляющая к основной погрешности, формируя в результате отклонения измеряемых параметров из области допустимых значений.

Класс точности – обобщённая характеристика средства измерений, характеризующая допустимые по государственному стандарту значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения, где N – диапазон измерительного средства.

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, которая остаётся постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, которая изменяется случайным образом при повторных измерениях той же величины.

Закон нормального распределения случайных погрешностей представляется следующим образом:

где P (x) – плотность распределения вероятностей; x – случайная погрешность.

Аддитивная погрешность – постоянная погрешность для всех значений входного сигнала в пределах диапазона измерений, не зависит от чувствительности устройства.

Мультипликативная погрешность – изменяется пропорционально значениям входного сигнала, зависит от чувствительности средства измерения.

Динамическая погрешность – погрешность средства измерений, которая формируется в процессе измерений изменяющейся физической величины и обусловлена инерционностью средства измерений.

Статистическая погрешность – погрешность измерительного средства, которое используется для измерения параметров в установившемся режиме.

К основным характеристикам погрешности относятся следующие.

Математическое ожидание – важнейшая характеристика распределения значений случайной величины x, где xi – значение случайной величины; n – число измерений.

Средняя квадратическая погрешность (дисперсия) – мера отклонения от среднего значения (рассеяния) Доверительный интервал – интервал значений величины xi, в которой попадает действительное значение хд измеренной величины с заданной вероятностью Доверительная вероятность измерения – вероятность попадания действительного значения измерения величины в доверительный интервал где (t ) – интегральная функция Лапласа; t = – аргумент функции.

Закон нормального распределения случайных погрешностей изображён в виде графика на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Кривая нормального распределения случайных погрешностей Погрешности параметров усилителя, которые определяются экспериментальным путём на разработанном и изготовленном макете усилительного устройства, рассчитываются с помощью программы Electronics Workbench.

6.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСИЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

Метрологический анализ позволит повысить точность параметров усилителей, которые определены в техническом задании при проектировании усилителей. При проектировании усилителей необходимо учитывать погрешности измерений при установлении допуска на выходные контролируемые параметры усилительных устройств. При установлении допуска на выходные параметры усилителя следует руководствоваться обеспечением точности параметров в соответствии с техническим заданием на проектирование усилителей, а также учитывать точность применяемых измерительных средств, которые должны быть аттестованы. Также необходимо учитывать воздействие внешних и внутренних дестабилизирующих факторов окружающей среды при проведении измерений и контроля параметров усилителя.

Поэтому при проведении испытаний усилителя в лаборатории надо поставить приборы контроля дестабилизирующих факторов окружающей среды.

В результате метрологического анализа работы усилительных устройств необходимо установить причины возникновения погрешностей выходных параметров усилителей. Значительные погрешности параметров могут быть вызваны следующими факторами:

1) неточность исходной информации при расчёте усилителей – интервальное значение параметров элементной базы: коэффициентов передачи тока транзисторов, параметров используемой элементной базы в зависимости от условий, эксплуатации, режимов измерений предельных эксплуатационных режимов и условий работы усилительных устройств;

2) воздействие на усилитель внутренних и внешних дестабилизирующих факторов:

скрытые дефекты применяемых компонентов: резисторов, конденсаторов, транзисторов;

неточность используемой электрической схемы;

влияние на параметры усилителя паразитных индуктивностей, ёмкостей и сопротивлений проводников печатной платы;

нестабильность напряжения питания;

температура окружающей среды;

зависимость параметров от частоты;

влажность окружающей среды;

старение используемой элементной базы;

изменение сопротивления нагрузки;

воздействие электромагнитных полей;

несовершенство технологии изготовления компонентов усилителя.

Метрологический анализ усилительных устройств на основе оценки рассчитанных погрешностей измерений и метрологических характеристик погрешностей (M, D) позволяет сделать выводы о направлении в работе по повышению стабильности работы и точности усилителя:

1) выделить доминирующие компоненты в составе полной погрешности результатов измерения;

2) определить источники доминирующих компонент погрешности и меру их влияния на результат измерений;

3) ввести коррекцию результатов измерения с использованием аппроксимирующих зависимостей измеряемых параметров от воздействия дестабилизирующих факторов;

4) по возможности устранить источники возникновения погрешностей, например, устранить дефекты печатных плат и используемых компонентов в электрической схеме усилителя;

5) составить алгоритм проведения экспериментальных исследований усилительного устройства;

6) разработать алгоритм расчёта введения коррекции и поправок результатов измерения при воздействии дестабилизирующих факторов.

Устранение причин возникновения погрешностей или учёт их воздействия на параметры усилителя позволит обеспечить безотказную работу и повысить качество проектируемых усилительных устройств.

1. Как определяются абсолютная и относительная погрешности измерений?

2. Какие погрешности относятся к основным и дополнительным?

3. Что такое класс точности измерительного средства?

4. Чем отличаются систематическая и случайная погрешности?

5. Какая погрешность не зависит от чувствительности измерительного средства?

6. Какая погрешность изменяется пропорционально значениям входного сигнала?

7. Чем отличается статическая и динамическая погрешности?

8. Какие метрологические характеристики погрешностей Вы знаете?

9. Как определяется математическое ожидание?

Как определить среднюю квадратическую погрешность (дисперсию)?

Что такое «доверительный интервал» и «доверительная вероятность» измерения?

В чём сущность закона нормального распределения случайных погрешностей?

Какие дестабилизирующие факторы влияют на погрешности определения параметров усилителя?

С какой целью проводится метрологический анализ усилительных устройств?

Какие существуют способы повышения стабильности и точности усилителей?

7. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Совершенствование и модернизация усилительных устройств является неотъемлемой частью разработки радиоэлектронных средств. Совершенствование усилительных устройств рекомендуется осуществлять по следующим основным направлениям:

1. Улучшение качественных характеристик усилителя: точности выходных параметров и характеристик, стабильности и устойчивости работы, надёжности. Для повышения устойчивости усилительных устройств необходимо использовать разнообразную топологию печатных плат, которая влияет на ёмкость монтажа.

2. Оптимизация качественно-количественных характеристик усилителя: расширение диапазона усиливаемых частот, увеличение выходной мощности.

3. Разработка архитектуры усилительных устройств на основе широкого использования обратных связей для формирования входного и выходного сопротивлений, амплитудно-частотных характеристик, обеспечения стабильности коэффициента усиления, стабилизации рабочей точки активного элемента и других параметров, а также уменьшения искажений сигнала на выходе усилителя.

4. Улучшение конструктивно-технологических показателей связано с разработкой конструкции усилителя в микроминиатюрном исполнении с соблюдением требовании стандартов по дизайну, эргономике, ремонтопригодности и применением элементной базы, созданной на основе новых физических процессов и технологий изготовления, применением высокотехнологических методов для изготовления печатной платы при изготовлении усилителя.

5. Проведение математического моделирования на компьютере при разработке усилительных устройств с целью выбора оптимального варианта схемотехнического решения, расчёта параметров и характеристик усилителя, выполнения метрологического анализа погрешностей измерения, анализа частотных и переходных характеристик с учётом отклонения и нестабильности параметров и характеристик усилителя при воздействии дестабилизирующих факторов.

6. Разработка принципиальных электрических схем усилителей с использованием новой современной элементной базы, отличающейся высокой стабильностью параметров, надёжностью и устойчивостью к воздействию дестабилизирующих факторов.

7. Оптимизация схемотехнических решений необходима для решения важнейшей задачи при передачи входных сигналов в усилителе – повышение линейности проходных передаточных характеристик усилителя, уменьшение шумов в усилителе и повышение чувствительности по входу.

8. Для улучшения технико-экономических характеристик рекомендуется замена в усилителе дорогостоящих компонентов с последующей модернизацией усилителя.

8. РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТА

ПЕЧАТНОГО УЗЛА УСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

И ЕГО НАСТРОЙКА

Разработка и изготовление макетного образца усилителя, настройка его в соответствии с заданием на курсовое проектирование будут способствовать приобретению практических навыков изготовления электронного устройства, технологии изготовления печатной платы, изучения способов установки элементов на печатной плате, настройки и регулировки, согласования с источником входного сигнала и нагрузкой. При изготовлении макета печатного узла усилителя, изготовления печатной платы, установки элементов, регулировки и настройки следует пользоваться рекомендованной в данном пособии литературой и соответствующими ГОСТ.

8.1. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТА

ПЕЧАТНОГО УЗЛА УСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

При разработке макета печатного узла необходимо ознакомиться с основными определениями, используемыми при изучении технологии изготовлении макета усилителя.

Печатным узлом называется печатная плата с установленными на ней электрорадиоэлементами.

Печатная плата – изоляционное основание с нанесённым на него печатным монтажом.

Печатный монтаж – совокупность печатных проводников, соединяющих электрорадиоэлементы, которые будут установлены на печатную плату.

Печатный проводник – полоска токопроводящего покрытия.

Координатная сетка чертёжа печатной платы определяет положение элементов рисунка платы.

Шаг координатной сетки – постоянная величина, определяющая расстояние между соседними линиями координатной сетки.

Односторонняя печатная плата имеет одно основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок.

Фольгированный материал – материал основания печатной платы, который имеет с одной или с двух его сторон проводящую фольгу.

Класс точности печатной платы определяет минимально возможные размеры контуров проводящего рисунка в зависимости от токов и напряжений.

Разработка и изготовление печатного узла усилителя включает следующие этапы:

1. Изучить электрическую схему усилительного устройства в соответствии со своим вариантом задания на курсовое проектирование.

2. Для заданной электрической схемы составить перечень используемых электрорадиоэлементов в соответствии с приложением Г.

Электрорадиоэлементы к электрической схеме студенты должны использовать современного отечественного и зарубежного производства. При этом необходимо пользоваться справочной литературой издания последних трех–пяти лет. Выбирая компоненты, следует учитывать допустимые рабочие диапазоны их эксплуатации при воздействии внешних и внутренних дестабилизирующих факторов: температуры окружающей среды, влажности, вибрации и др.

3. Составить спецификацию к печатному узлу усилителя по образцу приложения Д.

4. Для заданной электрической схемы подготовить чертёж печатной платы (приложение Е).

В настоящее время для конструирования печатных плат применяются системы автоматизированного проектирования, в частности, система P-CAD. Информацию о программе P-CAD можно найти в интернете по адресу www.pcad.ru. Чертежи печатных плат выполняются в соответствии с ГОСТ 2.417–91.

Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

5. Изготовить печатную плату химическим методом по инструкции, приведенной в рекомендованной литературе.

Химический метод заключается в процессе вытравливания незащищённых участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик. Для изготовления печатной платы использовать фольгированный стеклотекстолит, который имеет свойство вытравливать определённые участки фольги в специальном растворе, например, хлорного железа. Печатную плату изготовить 2-го класса точности с невысокой плотностью монтажа, с шириной печатного проводника 0,45 мм.

6. Подготовить сборочный чертёж печатного узла по образцу (приложение Ж).

7. Осуществить комплектацию электрорадиоэлементов в соответствии с составленным перечнем элементов.

8. Выполнить входной контроль электрорадиоэлементов.

Входной контроль электрорадиоэлементов осуществляется по геометрическим размерам, форме, внешнему виду, электрическим параметрам и механической прочности.

9. Подготовить печатную плату к монтажу.

Подготовка печатных плат к монтажу заключается в их промывке, контроле печатного монтажа и паяемости, маркировке платы.

Подготовить электрорадиоэлементы к монтажу в зависимости от способа их установки на печатную плату в соответствии с ОСТ 45.010.030–93.

При изготовлении печатного узла электрорадиоэлементы монтируются в монтажные отверстия печатных плат, которые используются также для электрических соединений с поводящим рисунком на плате.

При подготовке электрорадиоэлементов к монтажу выполняется рихтовка их выводов, гибка по форме, обрезка и лужение. Формовка выводов элементов и их установка на печатную плату производится в соответствии с ГОСТ 29137–91 (Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования). Высота выступающих выводов элементов должна быть от 0,5 до 2 мм.

Осуществить маркировку электрорадиоэлементов и других компонентов на печатной плате.

Выполнить пайку контактных соединений электрорадиоэлементов и других компонентов на печатной плате расплавленным припоем под действием постоянного или импульсного нагрева зоны соединения следующим образом: нанести на место пайки флюс, на рабочую часть паяльника – припой, и приложить паяльник к подготовленному месту соединения на три-пять секунд до момента течения припоя.

Провести промывку и сушку изготовленного печатного узла усилителя.

Технологические операции промывки и сушки изготовленного печатного узла необходимы для удаления флюса и продуктов пайки.

Осуществить контроль, настройку и регулировку усилительного устройства с помощью измерительной аппаратуры.

Провести испытания усилителя при воздействии основных дестабилизирующих факторов.

В процессе изготовления печатного узла, монтажа элементов на печатной плате, операций настройки и регулировки студентам необходимо строго придерживаться правил техники безопасности на рабочем месте для исключения случаев травматизма.

8.2. НАСТРОЙКА УСИЛИТЕЛЯ В СООТВЕТСТВИИ

С ЗАДАНИЕМ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

При разработке и изготовлении макета усилительного устройства, отвечающего требованиям технологического задания на проектирования и требованиям качества применительно к рассматриваемому усилителю, необходимо контролировать параметры исходных материалов, комплектующих компонентов, технологических операций пайки и монтажа, качества монтажных соединений электрорадиоэлементов, применять средства контроля работоспособности печатного узла усилителя в целом.

Контроль усилительного устройства заключается в получении информации о параметрах и характеристиках усилителя для оценки качества его изготовления.

Регулировка и настройка – это технологические операции, в результате проведения которых параметры и характеристики усилителя должны соответствовать техническому заданию на их изготовление.

Применяемый вид настройки и регулировки – эксплуатационный, метод регулировки – с использованием измерительной аппаратуры.

Основные этапы настройки и регулировки усилителя:

1) проверка правильности печатного монтажа платы, монтажа электрорадиоэлементов на печатной плате;

2) проверка режимов работы полупроводниковых приборов (транзисторов);

3) настройка и регулировка усилителя в целом.

Технологическая инструкция по контролю, проверке и регулировке включает следующие операции:

1. Оборудование рабочего места измерительными приборами: блоком стабилизированного питания, осциллографом типа GOS-620, генератором типа GFG-8216 A, мультиметром GDM-8135.

2. Выполнение требований техники безопасности:

а) прежде чем приступить к настройке и регулировке, необходимо изучить руководство по эксплуатации измерительного прибора;

б) запрещается при работе с прибором снимать защитный кожух;

в) необходимо заземлить корпус прибора перед подключением к электросети;

г) при работе с измерительными приборами следует использовать диэлектрический коврик на полу рабочего места;

д) после завершения работы с приборами необходимо отключить их от электросети.

3. Проведение процесса контроля:

а) проверить комплектность компонентов в соответствии с перечнем элементов и спецификацией;

б) выполнить контроль геометрических и функциональных параметров компонентов;

в) проверить соответствие качественных и количественных характеристик компонентов и усилителя в целом требованиями нормативно-технической документации и технического задания.

4. Выполнение операций регулировки и настройки усилительного устройства:

а) регулировку осуществить с использованием измерительных приборов;

б) выявить некачественные соединения и пайку;

в) проверить правильность монтажа в соответствии с электрической схемой;

г) проверить режимы работы полупроводниковых приборов по справочным данным;

д) провести проверку функционирования устройства в целом, регулировку и настройку для получения заданных характеристик усилителя в соответствии с техническим заданием на проектирование;

е) регулировку и настройку провести по электрической схеме усилителя с учётом требований технического задания и условий эксплуатации, при необходимости заменить установленные электрорадиоэлементы, полупроводниковые приборы для получения оптимальных параметров.

В соответствии с приведённой технологической инструкцией провести контроль, регулировку и настройку усилителя:

а) подключить к усилителю источник стабилизированного питания, предварительно установив требуемое для данного усилителя напряжение;

б) подсоединить измерительные приборы (цифровой мультиметр, генератор, осциллограф) к соответствующим клеммами входа и выхода усилителя;

в) на лицевой панели измерительных приборов установить необходимо пределы измерений контролируемой величины;

г) включить измерительные приборы и источник питания;

д) записать технические характеристики выходного сигнала блока по данным мультиметра и осциллографа – частоту, амплитуду и период;

е) проверить соответствие выходных параметров и характеристик техническому заданию.

ж) если параметры и характеристики отличаются от указанных в задании на проектирование, то необходимо повторить контроль, регулировку и настройку усилителя в соответствии с приведённой технологической инструкцией.

При настройке и регулировке усилительного каскада на транзисторах необходимо: