«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 ...»

1) проверить стабильность токов, токов покоя транзисторов, в случае их нестабильности использовать существующие схемы стабилизации рабочей точки;

2) снять передаточную характеристику усилителя и оценить её линейность;

3) по экспериментальным данным рассчитать коэффициент усиления по напряжению, сравнить с расчётным и заданным значениями. Внести изменения в электрическую схему (изменить сопротивление коллектора, делитель напряжения на выходе) для получения требуемой величины коэффициента усиления. Регулировка коэффициента усиления осуществляется изменением делителя напряжений на входе усилителя (изменением сопротивления переменного резистора в составе делителя). Коэффициент усиления можно регулировать, изменяя глубину отрицательной обратной эмиттерной связи, поставив в цепь эмиттера делитель с переменным резистором;

4) с использованием измерительной аппаратуры снять амплитудно-частотную характеристику, по которой определить полосу пропускания усилителя и сравнить с заданным рабочим диапазоном частот.

При несоответствии техническому заданию на проектирование внести коррекцию времязадающей RCцепи обратной связи усилителя;

5) оценить нелинейные искажения в усилителе, рассчитать коэффициент гармоник и сравнить с заданным допустимым его значением в исходных данных для проектирования. На линейные и нелинейные искажения усилителя влияет паразитная обратная связь. Паразитная связь может быть между входом и выходом усилителя в результате ёмкостной связи через параллельную обратную связь по напряжению и через цепи питания в многокаскадных усилителях. Для устранения или уменьшения паразитных обратных связей параллельно выводам источника питания ставится конденсатор или развязывающий фильтр в цепи питания.

После окончания операций контроля, настройки и регулировки проводятся процедуры испытания изготовленного усилителя. Испытания выполняются по методике, которая заключается в воздействии на усилитель внешних факторов (изменение температуры окружающей среды, влажности и механических воздействий) и осуществлении непрерывности работы с последующим контролем параметров и характеристик при окончании испытаний.

Воздействие внешних факторов приводит к отказам и неустойчивой работе радиоэлектронных средств, а также к их старению.

При выполнении индивидуального задания на курсовое проектирование проводятся исследовательские испытания, связанные с изучением требуемых свойств разрабатываемого устройства. В этом случае целесообразно анализ работы устройства проводить с использованием имитационного моделирования при воздействии дестабилизирующих факторов.

Испытания при воздействии внешних факторов проводятся следующие:

1. Электрические, при которых проверяются параметры и характеристики при изменении электрической нагрузки, контролируются электропитание и потребляемая мощность.

2. Температурные испытания осуществляются при воздействии на усилитель температуры окружающей среды. Температурные влияния ускоряют старение материалов, ухудшают электрические свойства усилителей в результате изменения сопротивления резисторов, изоляции диэлектриков, ёмкости конденсаторов, изменяются параметры транзисторов, уменьшается влагонепроницаемость покрытия. Для создания условий высокой или низкой температуры макет устройства помещается в термокамеру и затем после воздействия тепла и холода проверяют параметры и характеристики устройства.

3. Испытания на влагоустойчивость выполняются при помещении устройства в камеру влажности при заданной определённой температуре, а затем осуществляется контроль выходных параметров, так как с увеличением влажности уменьшаются объёмное и поверхностное сопротивления изоляционных материалов 4. Механические воздействия способствуют возможным изменениям параметров радиоэлектронных устройств. Испытания на мехвоздействия (проверка вибро- и ударопрочности) проводится при помощи устройства на вибростенд и затем проверяют сохранение его работоспособности в результате контроля и анализа параметров и характеристик.

1. Что называется печатным узлом?

2. Какие этапы включает процесс разработки и изготовления печатного узла?

3. Что подразумевается под контролем усилительного устройства?

4. Из каких этапов состоит процедура настройки и регулировки усилителя?

5. По какому методу выполняется регулировка усилителя?

6. Какие операции необходимо выполнить при настройке и регулировке?

7. Какое воздействие на усилитель оказывают внешние дестабилизирующие факторы?

8. Какие испытания проводятся при воздействии внешних факторов?

9. Каким образом проводятся испытания усилителя температурные, на влагоустойчивость и на механические воздействия?

Как осуществляется коррекция параметров и характеристик усилителя при несоответствии их техническому заданию на проектирование?

9. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Студенты приступают к выполнению курсового проекта после утверждения задания на курсовое проектирование преподавателем и заведующим кафедрой. Курсовой проект должен быть выполнен в срок, указанный в задании на проектирование.

';

В процессе работы над курсовым проектом студенты могут получать консультации в отведённые часы, согласно утверждённому расписанию консультации в течение семестра.

Студенты должны составить план работы над курсовым проектом и согласовать его с руководителем. План составляется, исходя из отведённого времени на проектирование.

Работа над курсовым проектом включает следующие основные этапы:

1. Ознакомиться с заданием на курсовой проект и получить консультации у преподавателя по возникающим вопросам.

2. Изучить рекомендуемую учебную литературу по теме курсового проекта, лекции по электронике, учебные пособия по курсовому проектированию, журналы по электронике, схемотехнике электронных устройств, справочники по полупроводниковым приборам, ГОСТ.

3. По рекомендованной учебной литературе изучить теорию и принцип действия усилительных устройств, физические процессы, происходящие в транзисторах и усилителях на их основе. Транзисторы и используемую элементную базу к разрабатываемой электрической схеме усилителя следует выбирать из справочников по полупроводниковым приборам, исходя из рассчитанных параметров транзистора. Правила выполнения чертежей, электрической схемы и обозначения элементов на схеме необходимо выполнять по рекомендуемым ГОСТ.

4. Разработка усилительных устройств связана с процессом анализа известных схемотехнических решений и информации о видах, параметрах и характеристиках усилителей, условий эксплуатации, изучения вопросов согласования с источником сигнала и нагрузкой. Следует изучить существующие принципиальные электрические схемы усилительных устройств, методы их расчёта, анализа и синтеза. Необходимо выполнить их анализ, выявить недостатки и определить направление совершенствования усилителей.

5. По рекомендуемой литературе изучить способы и технологию изготовления печатного узла при создании макета усилительного устройства, методы контроля параметров усилителя, настройки, регулировки и испытания в соответствии с техническим заданием на проектирование.

При разработке печатного узла необходимо составить перечень электрорадиоэлементов, установочных изделий (панелей, лепестков, разъёмов и др.) и крепёжных (болтов, гаек, шайб и др.). Выбирая компоненты печатного узла, желательно использовать стандартные элементы и детали – конденсаторы, резисторы, разъёмы и др. Следует изучить компоновку элементов усилителя на печатной плате, определить разъёмы и клеммы для подачи электропитания, подключения источника входного сигнала и нагрузки, способ крепления установочных элементов.

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Разрабатывая усилительное устройство на базе биполярных транзисторов и выполняя его расчёт, необходимо подробно изучить принцип действия биполярных транзисторов, его структуру. Рассмотреть принцип действия транзистора следует при включении транзистора по схеме с ОБ, ОЭ, ОК. При этом исследовать его режимы работы, усилительные свойства и параметры, определение входного и выходного сопротивлений, выходной мощности, статические входные и выходные характеристики. Следует изучить эквивалентные схемы, которые используются для расчёта транзисторов: Эберса-Молла, Тобразную эквивалентную схему для переменных составляющих сигнала, эквивалентную схему в hпараметрах.

При изучении частотных свойств транзистора следует рассмотреть эквивалентную схему транзистора для высоких частот и физические процессы и параметры, определяющие предельную рабочую частоту транзистора. Изучить понятие шума и причину появления шумов транзистора, зависимость шума от частоты.

В полевых транзисторах, в отличие от биполярных, ток управляется с помощью электрического поля. Принцип их действия основан на формировании тока стока изменением толщины проводящего канала в результате сужения или расширения обеднённой области p-n-перехода в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом. Следует изучить характеристики и параметры полевого транзистора, понятие напряжений насыщения и отсечки.

Необходимо изучить МДП-транзисторы, их параметры, особенности, частотные характеристики, принцип действия с индуцированным и со встроенным каналами.

Студенты должны в полном объёме изучить и повторить схемотехнику усилительных устройств:

архитектуру усилителей (схемы включения с ОЭ, ОБ, ОК, виды обратных связей), формирование характеристик и параметров при воздействии обратных связей, методику расчёта и анализа искажений сигналов, регулировку усилителей, учёта и возможного устранения паразитных обратных связей в усилителе (ёмкостной и через источник питания).

В пояснительной записке курсового проекта приводятся краткие теоретические сведения по принципу действия усилительного устройства; о методах анализа, особенностях проектируемого усилителя, основных параметрах и характеристиках и расчётных аналитических зависимостях, приведённых в рекомендуемой литературе для известных аналогичных усилительных устройств.

При расчёте усилителя необходимо провести анализ исходных данных в задании для проектирования, рассмотреть условия эксплуатации, учитывая воздействие основных дестабилизирующих факторов: температуры окружающей среды, нестабильности напряжений источника питания, влияние паразитных связей и т.д.

Рассчитывая параметры усилителя, например коэффициент усиления, полосу пропускания и другие, необходимо увеличить допустимый интервал их значений, так как существует разброс параметров используемых в усилителе электрорадиоэлементов (конденсаторов, резисторов, транзисторов) из-за производственной погрешности их изготовления.

После выполнения расчёта параметров электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) выбираются по справочникам конкретные типы элементов, выпускаемые промышленностью, в соответствии с их условиями эксплуатации и обоснованными допусками, и далее используются не расчётные, а номинальные их значения. При выборе номинальных значений конденсаторов, если расчётные значения являются близкими и к меньшему и большему номинальным значениям, следует руководствоваться их месторасположением в схеме и влиянием на граничную частоту транзистора, полосу пропускания и искажения сигнала в частотной полосе.

Обоснование выбора типа и номинала электрорадиоэлементов приводится в расчётной части пояснительной записки только для нескольких электрорадиоэлементов, а для остальных элементов указываются выбранные из справочников их номинальные значения.

Расчёт и анализ усилительного устройства в курсовом проектировании рекомендуется проводить на компьютере с использованием известных программных продуктов, например Electronics Workbench.

Методика расчёта усилительного устройства каскада включает несколько этапов и предполагает применение графо-аналитического метода расчёта с использованием известных аналитических зависимостей параметров транзисторов и усилителей и определением параметров транзисторов с использованием их статических входных и выходных характеристик.

Основные этапы расчёта:

1. Анализ исходных данных для расчёта усилителя.

2. Выполняется расчёт усилителя по постоянному току, определяются значения резисторов, hпараметры транзистора. Проводится графическое построение нагрузочной прямой по постоянному току, определяются рабочая точка, ток и напряжение покоя транзистора.

3. Проводится расчёт усилительного каскада по переменному току, выполняется графическое построение нагрузочной прямой по переменному току, определяются токи и напряжения на входе и выходе усилителя, рассчитываются усилительные параметры (коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности, входное и выходное сопротивления усилителя).

4. Построение частотных характеристик усилителя, определение полосы пропускания, расчёт значений ёмкостей конденсаторов усилителя.

5. Выполняется оценка искажений усилителя, рассчитываются коэффициент шума и предельная рабочая частота по шуму.

9.2. ПРИМЕР РАСЧЁТА ОДНОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ

С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ приведена на рис. 9.1.

Усилительный каскад выполнен на биполярном транзисторе n-p-n-типа. На вход усилителя подключен источник входного сигнала Ec, который имеет внутреннее сопротивление Ri. Конденсаторы Cp1 и Cp2 предназначены для разделения режима работы усилителя по постоянному току, не пропускают постоянную составляющую переменного сигнала. Резисторы Rб1 и Rб2 составляют делитель напряжения на входе транзистора, формируют напряжение смещения, которое определяет положение рабочей точки транзистора на нагрузочной прямой на выходных характеристиках транзистора. Резистор Rк является нагрузочным в цепи коллектора по постоянному току, определяет выходное сопротивление усилительного каскада и коэффициент усиления по напряжению KU. С увеличением значения Rк (до определённого ограничения) коэффициент KU возрастает.

Для термостабиизации рабочей точки транзистора применяется последовательная отрицательная обратная связь по току, которая формируется через резистор Rэ. Конденсатор Cэ является шунтирующим, служит для увеличения коэффициента усиления каскада по переменной составляющей, а также для формирования частотной характеристики усилителя.

Усилительный каскад на рис 9.1 имеет параллельную структуру, является фазоинверсным, так как фаза выходного напряжения изменяется на угол по отношению к входному напряжению. Усилитель с ОЭ усиливает входной сигнал по току, напряжению и мощности. Входное сопротивление каскада определяется сопротивлениями Rб1, Rб2 и входным сопротивлением транзистора h11. Выходное сопротивление каскада зависит от сопротивления коллектора Коэффициент усиления по напряжению определяется зависимостью выходного напряжения от входного Ток коллектора рассчитывается на основе тока базы Iб и коэффициента передачи тока базы Частотные свойства усилителя зависят от частотных характеристик базового транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и нагрузки.

Нелинейные искажения усилительного каскада определяются внутренним сопротивлением генератора на входе, сопротивлением нагрузки и уровнем амплитуды выходного сигнала.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах находят наибольшее применение в предварительных усилительных каскадах, так как усиливают ток и напряжение, а следовательно, обеспечивается усиление сигнала по мощности.

Для выполнения расчёта усилительного устройства необходимо иметь исходные данные для расчёта, которые указываются в задании на курсовое проектирование, и перечень параметров и характеристик, которые надо соответственно рассчитать и выполнить графическое построение.

Исходными данными для расчёта усилительного каскада с общим эмиттером являются следующие:

1) Uп – напряжение источника питания;

2) Um – амплитуда напряжения на выходе усилительного каскада;

3) Rн – сопротивление нагрузки;

4) уровни рабочего диапазона частот: fн, fв – нижнее и верхнее значения усиливаемой полосы частот;

5) значения допустимого уровня частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах:

Mн, Mв – уровни частотных искажений на нижней и верхней граничной частоте;

6) рабочий диапазон температур окружающей среды: tmin, °C, tmax, °C – минимальное и максимальное значения температуры;

7) Ri – сопротивление источника входного сигнала;

8) режим работы усилительного каскада – класс А. В этом режиме ток в выходной цепи транзистора протекает весь период действия входного сигнала, напряжение смещения Uсм > 0, рабочая точка покоя находится в середине нагрузочной прямой. Транзистор работает в линейной области, поэтому класс А характеризуется минимальными нелинейными искажениями усиливаемого сигнала. Коэффициент полезного действия не более 0,5, в связи с этим класс усиления А используют в усилителях малой мощности.

В результате расчёта и анализа усилительного каскада должны быть определены, рассчитаны параметры транзистора и каскада и выполнено графическое построение следующим образом:

1. Выбрать тип транзистора по рассчитанным: току коллектора Iк, мощности транзистора P, верхней рабочей частоте fв и напряжению Uкэ, и вольтамперные статические входные и выходные характеристики.

2. На статических характеристиках построить нагрузочную прямую, рабочую точку и определить ток и напряжение покоя (Iкп, Uкэп).

3. По статическим входным и выходным характеристикам определить h-параметры транзистора:

h11 – входное сопротивление;

h12 – коэффициент обратной связи по напряжению;

h21 – коэффициент передачи тока базы;

h22 – выходную проводимость.

4. Рассчитать номинальные значения сопротивлений и ёмкостей конденсаторов принципиальной электрической схемы усилительного каскада.

5. Rвх – входное сопротивление усилителя.

6. Rвых – выходное сопротивление усилителя.

7. KU – коэффициент передачи (усиления) по напряжению входного сигнала.

8. KI – коэффициент передачи по току входного сигнала.

9. KP –коэффициент усиления по мощности входного сигнала.

Определить частотные искажения усилителя.

Построить схемы замещения усилительного каскада.

Определить передаточные функции для схем замещения усилителя.

На основе передаточных функций схем замещения построить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя.

Рассмотрим пример расчёта усилителя с ОЭ для следующих исходных данных при расчёте усилительного каскада с ОЭ, схема которого приведена на рис. 9.1:

Uп = 25 В; Rн = 120 Ом; fн =10 Гц; Mн = 1,1; Mв = 1,3;

tmin = 0 °C; tmax = 100 °C; Ri = 1 кОм.

Выбираем транзистор VT, исходя из выполнения следующих условий.

Сопротивление коллектора где Kн = 5…10.

Выбираем Rк = 10·120 Ом = 1200 Ом (для максимального значения Kн). Рассчитанное значение Rк соответствует стандартному ряду и принимаем Rк =1200 Ом.

U кэ max доп U п, принимаем U кэ max доп = 25 В.

Допустимая максимальная мощность Рабочая частота транзистора fр > 40 кГц.

По рассчитанным значениям:

из справочника по полупроводниковым приборам (транзисторам малой мощности) выбираем транзистор n-p-n КТЗ15А со следующими параметрами:

Pк max доп = 150 мВт ; fгр = 250 МГц ; U кэ = 25 В ; I к max = 100 мА ; I кбо, I кбо = 0,5 мкА ; h21э = 30...120.

Rэ = 0,25 1,2 кОм = 0,3 кОм.

Для определения рабочей точки транзистора и уточнения значений тока и напряжения покоя на статических входных и выходных характеристиках биполярного транзистора с ОЭ (рис. 9.2 и 9.3) строим нагрузочную прямую на выходных характеристиках Iк = f (Uкэ).

Нагрузочная прямая на выходных характеристиках строится в режимах холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). Для выходной цепи транзистора (коллектор-эмиттер) по второму закону Кирхгофа В режиме ХХ Iк = 0, при этом Uкэ = Uп = 25 В.

На выходных характеристиках откладываем точку E, соответствующую режиму ХХ, и точку D, соответствующую режиму КЗ. Через точки D и Е проводим нагрузочную прямую, на которой отмечаем точку покоя А по координате тока коллектора покоя Iкп.

Для определения I кп откладываем I к min соответствующий I б min. I к max соответствует точка пересечения нагрузочной прямой DE и штриховой линии ОС, отделяющей на выходных характеристиках режим насыщения (точка В).

I кп определяется по формуле Рабочей точке А соответствует напряжение U кэп = 12,5 В.

Мощность рассеяния на коллекторе Согласно справочным данным, для выбранного транзистора КТЗ15А режим работы транзистора по мощности рассеяния допустим. Если этот режим не выполняется, то следует увеличить Pк или уменьшить Выполняется расчёт h-параметров транзистора по характеристическим треугольникам в области рабочей точки А – на выходных характеристиках и в области рабочей точки А – на входных характеристиках. На входные характеристики рабочую точку А переносим по значениям тока базы I б = 0,4 мА и напряжению U кэп = 12,5 В.

Для построения характеристического треугольника на равных расстояниях от точки А на входных характеристиках откладываются отрезки и обозначаются точки А1 и А2, из которых опускаются перпендикуляры на оси I б и U бэ.

Входное сопротивление транзистора Выходная проходимость рассчитывается по отношению приращений I к и U кэ, которые определяются из построенного характеристического треугольника в области рабочей точки на выходных характеристиках А4 А5 А6:

Коэффициент обратной связи по напряжению h12э определяется по входным характеристикам при постоянном токе базы для точек А и А7:

Коэффициент передачи тока базы транзистора определяется по выходным характеристикам для точек А и А8:

По эквивалентной Т-образной схеме замещения транзистора с ОЭ определяются физические параметры (рис. 9.4) rб, rэ, rк,.

Рис. 9.4. Т-образная схема замещения биполярного транзистора с ОЭ Коэффициент передачи тока базы В рассматриваемом усилительном каскаде с ОЭ для стабилизации тока коллектора используется эмиттерная стабилизация. Увеличение тока коллектора, например, при воздействии температуры окружающей среды, приводит к возрастанию тока эмиттера и падению напряжения на резисторе Rэ Это напряжение (с минусом) подаётся через делитель напряжения Rб1 и Rб2 на базу транзистора, препятствуя возрастанию тока коллектора.

При изменении температуры окружающей среды приращение тока коллектора I к определяется приращением следующих параметров:

где S – коэффициент нестабильности тока коллектора I к ; U э – приращение напряжения на эмиттерном переходе; h21э – приращение коэффициента передачи по току; Rб – эквивалентное сопротивление базы;

I ко – приращение обратного тока коллектора.

где = – коэффициент токораспределения в цепи коллектора;

Подставляя полученное значение в формулу для определения коэффициента нестабильности где Е – температурный коэффициент напряжения U бэ, для кремниевых транзисторов, согласно справочным данным, Е = 2 мВ/град.

Изменение коэффициента передачи тока при изменении температуры определяется по зависимостям из справочных данных. Принимаем h21э = 29.

Приращение обратного тока коллектора при изменении температуры окружающей среды где Т * – температура удвоения тока коллектора; Tо – начальная температура, при которой определялся обратный ток I ко (0 °С).

Обратный ток коллектора для транзистора КТ315 А берётся из справочника: I ко = 1 мкА.

Приращение тока коллектора будет равно Подставляем рассчитанные значения S, U э, Rб, I ко, h21э в формулу для определения приращения Рассчитываем сопротивления делителя напряжения Rб1, Rб2 :

По шкале номинальных значений сопротивлений принимаем Rб1 = 3,3 кОм.

Рассчитываем Rб2 по формуле Принимаем Rб2 = 0,470 кОм.

Расчёт по переменному току проводится на основе использования эквивалентной схемы, приведённой на рис. 9.5 усилительного каскада с ОЭ переменного тока.

Входное сопротивление усилительного каскада для переменной составляющей где Rвх т – входное сопротивление транзистора, Rвх т = h11э.

Выходное сопротивление усилителя для переменной составляющей Коэффициент усиления по напряжению каскада при переменном токе Коэффициент усиления каскада по току Коэффициент усиления каскада по мощности Ёмкость разделительного конденсатора Cр1 определяется по следующей зависимости:

Ёмкость конденсатора Cр2 определяется следующим образом:

По шкале номинальных значений принимаем 25 мкФ.

Рассчитываем ёмкость конденсатора где Rб = Rб1 || Rб2 ;

Принимаем Cэ = 0,000 350 Ф.

Верхняя предельная частота транзистора КТЗ15 А определяется по следующей зависимости:

где Kб – коэффициент в цепи отрицательной обратной связи, учитывающий ответвление тока коллектора в базу; квч – постоянная времени, учитывающая нарастание тока коллектора на высокой частоте;

где к – постоянная времени цепи обратной связи на предельной частоте для транзистора КТЗ15 А, значение которой указано в справочнике по полупроводниковым приборам (транзисторам), к = 300 пс ; Cк – ёмкость коллекторного перехода (справочные данные), Cк = 7 пФ.

Рассчитываем Подставляем полученные значения Kб и квч в формулу для определения в :

Принципиальная электрическая схема с указанием рассчитанных номиналов элементов приведена на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Принципиальная электрическая схема усилителя 9.2.4. Построение частотных характеристик усилителя Для построения частотных характеристик усилителя – логарифмической амплитудно-частотной и фазочастотной составляется схема замещения усилителя, которая представлена на рис. 9.7.

Для того чтобы расчёт и построение частотных характеристик упростились, следует схему замещения представить двумя схемами замещения, которые содержат по одному конденсатору. Тогда передаточные функции для этих схем замещения будут первого порядка, так как схемы описываются дифференциальными уравнениями, связывающими входные и выходные сигналы схемы, первого порядка.

Представим схему замещения усилителя, приведённую на рис. 9.7, двумя схемами замещения, содержащими по одному реактивному элементу (конденсатору) (рис. 9.8).

На схемах замещения рис. 9.8 назначение элементов Ri, Rб, Rвх т уже приведено в данном пособии и их значения рассчитаны.

Сопротивление R на рис. 9.8, б соответствует выходному сопротивлению схемы, представленной на рис. 9.8, а.

Приближённо значение сопротивления R можно определить по следующему соотношению:

Для составленных схем замещения усилительного каскада передаточные функции записываются следующим образом. Передаточная функция для схемы на рис. 9.8, а будет определяться по известному выражению для соответствующей RC-цепи где T1, T2 – постоянные времени, определяемые по формулам:

Передаточная функция для схемы на рис. 9.8, б имеет вид для известной элементарной RC-цепи где T3, T4 – постоянные времени, которые рассчитываются по формулам:

Определим постоянные времени T1, T2, T3, T4 RC-цепи в передаточных функциях K1 ( p) и K2 ( p) :

Подставляем полученные значения T1, T2 в передаточную функцию K1 ( p ) и преобразуем её к виду где B() и jC () – действительная и мнимая части комплексного числа, представляющего собой преобразованную передаточную функцию K1 ( p ) :

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) имеет следующий вид:

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) записывается следующим образом:

Общий вид логарифмических амплитудно-частотных характеристик для известных RC-цепей и передаточных функций для схем замещения на рис. 9.8 представлен на рис. 9.9.

а – для передаточной функции K1(p); б – ЛАЧХ для передаточной функции K2(p) При построении ЛАЧХ на рис. 9.9, а обеспечивается наклон характеристики +20 дБ/дек до частоты 2, а затем – нулевой наклон. ЛАЧХ на рис. 9.9, б имеет нулевой наклон до частоты 4, которая определяется постоянной времени T4, а затем наклон характеристики +20 дБ/дек до частоты 3, которая определяется постоянной времени T3. Суммарная ЛАЧХ усилительного каскада строится суммированием построенных ЛАЧХ в соответствии с передаточными функциями K1() и K2().

Подставляем полученные значения мнимой и действительной части передаточной функции K(p) в выражение K() и ().

ЛАЧХ для K1(p) будет иметь следующий вид:

Круговую частоту определим для значений постоянных времени T 1, T 2, T 3, T 4 :

Подставим 2 в передаточную функцию K1 () :

Преобразуем передаточную функцию для схемы на рис. 9.8, б ЛАЧХ на основе передаточной функции K 2 ( p) будет иметь следующий вид:

В качестве примера построим ЛАЧХ на основе передаточной функции K1 (2 ) и известной ЛАЧХ для RC-цепи, схема замещения которой приведена на рис.9.9, а. График построенной ЛАЧХ показан на рис.

9.10.

Построим фазочастотную характеристику усилителя с ОЭ.

Согласно передаточной функции для схемы замещения на рис.9.8, а K1 ( p) ФЧХ определяется следующим образом:

В соответствии с передаточной функцией K2 ( p) для схемы замещения на рис. 9.8, б ФЧХ будет иметь следующее выражение:

Фазочастотная характеристика строится в соответствии с полученными зависимостями 1 () и 2 (), а затем суммируются для получения общей ФЧХ усилительного каскада с ОЭ.

Нелинейные искажения в усилителе появляются по следующим основным причинам: из-за наличия в схеме усилителя элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками (входными и выходными), нестабильности внутреннего сопротивления источника входного сигнала и сопротивления нагрузки. Значительные искажения в усилитель вносят нестабильность источника питания и изменение температуры окружающей среды.

При оценке искажений в усилителе можно определить коэффициент шума усилителя при нормальных условиях эксплуатации для средних частот по следующему выражению:

где rб* = к ( к, Cк – справочные данные для транзистора КТЗ15 А); т – температурный потенциал p-nCк Рассчитываем Kш :

Для уменьшения нелинейных искажений следует применить стабилизированные источники питания и схемы для стабилизации рабочей точки усилителя – термостабилизации и термокомпенсации.

Курсовое проектирование по расчёту и анализу усилительных устройств, построению частотных характеристик рекомендуется проводить с использованием программы Electronics Workbench для моделирования и анализа электронных компонентов и электрических схем.

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Вариант задания на курсовое проектирование определяется двумя последними цифрами номера зачётной книжки студента.

Исходные данные вариантов заданий для расчёта и анализа усилительного каскада с общим эмиттером, схема которого представлена на рис. 9.1 приведены в табл. 10.1.

10.1. Исходные данные вариантов заданий для расчёта усилителя При выполнении курсового проекта и проектировании усилителя следует использовать для моделирования электронных компонентов и усилительного каскада, анализа схемы и построения частотных характеристик программу Electronics Workbench.

11. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Студенты обязаны защитить курсовой проект не позднее даты защиты, указанной в задании на курсовое проектирование.

Защита курсового проекта по общей электротехнике и электронике осуществляется в следующем порядке:

1. При сдаче курсового проекта студенты должны поставить в штампах на листах пояснительной записки и в чертежах дату выполнения и личную подпись.

2. Материалы курсового проекта (пояснительная записка и чертёжно-графическая часть) сдаются преподавателю в папке с этикеткой (по стандарту СТП ТГТУ 07–97) за неделю до даты защиты.

3. После проверки курсового проекта преподаватель пишет замечания, рецензию и при необходимости возвращает студенту на доработку.

4. Если курсовой проект выполнен не в соответствии с индивидуальным заданием на проектирование, то студенту выдаётся новое задание.

5. К защите студенты допускаются при исправлении курсового проекта в соответствии с замечаниями преподавателя.

6. Защита проекта проводится в назначенную дату в присутствии членов комиссии от кафедры и студентов группы.

7. Процедура защиты включает доклад студента и ответы на вопросы присутствующих на защите.

Продолжительность доклада составляет 5–7 минут. В докладе студент должен назвать тему курсового проекта, исходные данные для проектирования, рассказать о разрабатываемой принципиальной электрической схеме усилителя, его достоинствах и недостатках, методике расчёта и анализа частотных свойств, разработки конструкции макета усилителя; рассказать о методике настройки и регулировки, проведения экспериментальных исследованиях усилителях и метрологического анализа полученных результатов экспериментальных данных выходных параметров усилителя; изложить своё мнение о направлениях совершенствования усилителя.

8. По результатам содержания доклада о выполненном проекте и ответов на вопросы комиссия принимает решение об оценке курсового проекта. В случае неудовлетворительной оценки комиссия назначает новую дату защиты.

9. После успешной защиты курсового проекта материалы проекта сдаются студентом в архив кафедры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В учебном пособии по курсовому проектированию по дисциплине «Общая электротехника и электроника» приведены структура типового курсового проекта и пример расчёта и анализа усилительного каскада на биполярном транзисторе.

Изложены краткие теоретические сведения об устройстве, принципе действия, параметрах и характеристиках полупроводниковых приборов и усилительных каскадов на их основе. Более подробно с теорией и разработкой конструкции усилительных устройств студенты могут ознакомиться в рекомендуемой учебной и справочной литературе.

С практической точки зрения и в порядке закрепления изученного теоретического материала при курсовом проектировании рекомендуется создать макет конструкции усилителя с применением новой элементной базы, провести его настройку и регулировку. После проведения экспериментальных исследований выходных параметров усилителя необходимо провести метрологический анализ полученных результатов измерения. Анализ результатов измерений позволит выявить недостатки усилителя, пути их устранения и рассмотреть направления совершенствования усилительного устройства.

При выполнении курсового проекта следует использовать компьютерные технологии, программные продукты для моделирования, расчёта и анализа электронных компонентов усилителей, например, программу Electronics Workbench.

Оформление текстовой документации пояснительной записки и чертёжно-графической части проекта (титульный лист, перечень элементов, спецификация, печатная плата и др.) должно быть выполнено в соответствии с стандартом предприятия СТП ТГТУ07–97.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баканов, Г.Ф. Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств : учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Г.Ф. Баканов, С.С. Соколов, В.Ю. Суходольский ; под ред. И.Г. Мироненко. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. – 368 с.

2. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства / В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, А.А. Зори, В.Я. Жуйков, В.М. Спивак. – СПб. : БХВ–Петербург, 2004. – 496 с.

3. Вайсбурд, Ф.И. Электронные приборы и усилители / Ф.И. Вайсбурд, Г.А. Панаев, Б.Н. Савельев. –4-е изд., стер. – М. : КомКнига, 2007. – 480 с.

4. Проектирование усилительных устройств на транзисторах : учебное пособие для вузов / Г.В. Войшвилло, В.И. Караванов, В.Я. Краева, М.Е. Мовшович, С.А. Новиков. – М. : Связь, 1978. – 184 с.

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

6. ГОСТ 20406–75. Платы печатные. Термины и определения.

7. Ежков, Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей / Ю.А. Ежков. – 2- е изд. перераб. – М. :

ИП РадиоСофт, 2002. – 272 с.

8. Информационно-измерительная техника и электроника : учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г. Раннев, В.А. Сурогина, В.И. Калашников [и др.] ; под ред. Г.Г. Раннева. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 512 с.

9. Карлащук, В.И. Электронная лаборатория на IBMPC : лабораторный практикум на базе «Electronics Workbench и MATLAB» / В.И. Карлащук. – М. : СОЛОН-Р, 2004. – 799 с.

10. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры : учебник для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, А.В. Журавлева [и др.]. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 11. Лачин, В.И. Электроника : учебное пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савёлов. – 6-е изд. перераб. и доп. – Ростов н/Д : Феникс, 2007. – 703 с.

12. Медведев, А.М. Сборка и монтаж электронных устройств / А.М. Медведев. – М. : Техносфера, 2007. – 256 с.

13. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника : учебное пособие / К.К. Ким, Г.Н. Анисимов, В.Ю. Барбарович, Б.Я. Литвинов. – СПб. : Питер. – 368 с.

14. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника : учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П.

Глудкин, А. И. Гуров. – М. : Радио и связь, 2002. – 768 с.

15. Остапенко, Г.С. Усилительные устройства : учебное пособие для вузов / Г.С. Остапенко. – М. :

Радио и связь, 1989. – 400 с.

16. Пирогова, Е.В. Проектирование и технология печатных плат : учебник для вузов / Е.В. Пирогова. – М. : ИНФРА-М, 2005. – 560 с.

17. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности : справочник / А.А. Зайцев, А.И.

Миркин, В.В. Мокряков [и др.] ; под. ред. А.В. Голомедова. – 3-е изд., стер. – М. : КУбКа, 1995. – 340 с.

18. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности : справочник / А.А.

Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков [и др.] ; под. ред. А.В. Голомедова. – 3-е изд., стер. – М. : КУбКа, 1995. – 640 с.

19. Прянишников, В.А. Электроника : полный курс лекций / В.А. Прянишников. – 4-е изд. – СПб. :

КОРОНА принт, 2004. – 416 с.

20. Ровдо, А.А. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах / А.А. Ровдо. – М. : Додэка XXI, 2008. – 256 с.

21. Селиванова, З.М. Общая электротехника и электроника : учебное пособие / З.М. Селиванова. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 72 с. – 100экз.

22. Селиванова, З.М. Схемотехника электронных средств : учебное пособие / З.М. Селиванова. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 80 с.

23. Селиванова, З.М. Технология радиоэлектронных средств : лабораторный практикум / З.М. Селиванова, А.П. Петров. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 80 с.

24. Справочник по полупроводниковым приборам / Е.А. Москатов. 2005. – 219 с.

25. Стандарт предприятия. СТП ТГТУ 07–97. Проекты (работы) дипломные и курсовые. Правила оформления / сост. С.Н. Кузнецов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 40 с.

26. Электронные приборы и устройства на их основе : справочная книга / Ю.А. Быстров, С. А. Гамкрелидзе, Е.Б. Иссерлин, В.П. Черепанов. – М. : Ип РадиоСофт, 2002. – 656 с.

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра

УТВЕРЖДАЮ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту _ Автор проекта Группа Специальность Обозначение курсового проекта Руководитель проекта Проект защищён Оценка Члены комиссии _ Нормоконтролёр _

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра _

УТВЕРЖДАЮ

Студент код группа 1 Тема 2 Срок представления проекта к защите «_» _ 20_ г.

3 Исходные данные для проектирования (научного исследования) 4 Перечень разделов пояснительной записки 4.1 _ 4.2 _ 4.3 _ 4.4 _ 4.5 _ 4.6 _ 4. … 5 Перечень графического материала _ Руководитель проекта (работы) _ Задание принял к исполнению

ВЕДОМОСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Н. контр.

Утверд.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЕ

СПЕЦИФИКАЦИЯ

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

СБОРОЧНЫЙ ЧЕРТЁЖ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА КТЗ15 А

1. Электрические параметры биполярного транзистора n-p-n-структуры КТЗ15 А:

напряжение насыщения база-эмиттер U бэ напряжения насыщения U кэ при I к = 20 мА, I б = 2 мА – до 0,04 В;

граничная частота коэффициента передачи тока при U кэ = 10 В, I к = 1 мА – от 250 МГц;

статистический коэффициент передачи тока при U кэ = 10 В, I к = 1 мА – 30…120;

постоянная времени цепи обратной связи при U кб = 10 В, I э = 5 мА – до 300 nс;

обратный ток коллектора при U кб = 10 В – до 1 мкА;

обратный ток эмиттера при U эб = 5 В – до 50 мкА;

ёмкость коллекторного перехода при U кб = 10 В – до 7 пФ.

2. Предельные эксплуатационные данные биполярного транзистора КТЗ15 А:

постоянное напряжение U бэ – 6 В;

постоянное напряжение U кэ – 25 В;

постоянная рассеиваемая мощность – 150 мВт;

температура окружающей среды – 60…100 °С

ШКАЛА НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ

РЕЗИСТОРОВ И ЁМКОСТЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ

Примечания. 1. Для получения номинального значения число из таблицы следует умножить на 2. Знак означает допустимое отклонение от номинального значения в процентах.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ, ЦЕЛИ И

ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ………… 2.1. СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЁМ КУРСОВОГО

3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БИПОЛЯРНЫХ И

ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

………………………………...

3.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, УСТРОЙСТВО

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРОВ

…………………………………………….

3.1.1. Режимы работы и параметры биполярных 3.1.3. Статистические характеристики биполярных

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

3.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВЫХ

ТРАНЗИСТОРОВ

3.2.1. Общие сведения и система обозначений 3.2.2. Структура и принцип действия полевых транзисторов 3.2.3. Структура и принцип действия полевых транзисторов

3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА БИПОЛЯРНЫХ

И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ НА ТРАНЗИСТОРАХ

4.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

……………………

4.2. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ИСКАЖЕНИЯ

В УСИЛИТЕЛЯХ

4.3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРАХ ПРИ ПОСТОЯННОМ И

ПЕРЕМЕННОМ ТОКАХ

4.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА ПОЛЕВОМ

ТРАНЗИСТОРЕ

………………………………………………

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ,

И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА

КОМПЬЮТЕРЕ

5.1. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ И

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА КОМПЬЮТЕРЕ …..

5.2. ОПИСАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ

ELECTRONICS WORKBENCH

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

6.1. ПОГРЕШНОСТИ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИЗМЕРЕНИЙ

6.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСИЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТА ПЕЧАТНОГО УЗЛА УСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ЕГО

НАСТРОЙКА

…………………………………………………….

8.1. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТА

ПЕЧАТНОГО УЗЛА УСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА …

8.2. НАСТРОЙКА УСИЛИТЕЛЯ В СООТВЕТСТВИИ

8.2.1. Испытания усилительных устройств

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

9.1. РЕКОМЕНДУЕМАЯ МЕТОДИКА РАСЧЁТА

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

9.2. ПРИМЕР РАСЧЁТА ОДНОКАСКАДНОГО

УСИЛИТЕЛЯ

НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ С

ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

9.2.1. Исходные данные и результаты расчёта 9.2.2. Расчёт усилителя по постоянному току 9.2.3. Расчёт усилителя по переменному току 9.2.5. Оценка искажений усилителя

10 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КУРСОВОЕ

. ПРОЕКТИРОВАНИЕ

11 ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ КУРСОВОГО

К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЕ

……………….

Приложение Ж. СБОРОЧНЫЙ ЧЕРТЁЖ ПЕЧАТНОЙ Приложение З. ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО Приложение И. ШКАЛА НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ

СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ

ДЛЯ ЗАМЕТОК

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _