Цель данной курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Основы схемотехники», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а также в активизации самостоятельной учебной работы, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные схемы биполярных и полевых транзисторов, получать разностороннее представление о конкретных электронных элементах.
В ходе выполнения курсовой работы для заданного типа транзистора определяются паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбирается положение режима покоя, для которого рассчитываются величины элементов эквивалентных схем транзистора и мало сигнальные параметры транзистора, графоаналитическим методом определяются параметры усилительного каскада.
Расчет усилительного каскада1. Исходные данные к курсовой работе
1. Тип активного элемента
Биполярный транзистор
2. Схема включения активного элемента
С общим эмиттером
3. Используемый активный элемент
КТ208К
4. Напряжение источника питания, Eп
30 В
5. Номинал резистора в цепи, Rк
2,2 кОм
6. Номинал резистора в выходной цепи, Rн
3,0 кОм
В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.
2. Характеристики используемого транзистораПроектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ208К. Транзистор КТ208К - кремниевый эпитаксиально-планарный p-n-p типа, используемый в усилительных схемах.1.) Электрические параметры
Наименование
Обозначение
Значения
min
max
1.1. Обратный ток эмиттера (при Uэ= Uэб max), мкА
I эбо
1
1.2. Обратный ток коллектора (при UК= Uкб max) , мкА
I кбо
1
1.3. Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме малого сигнала
h21б
1.4. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (при UК= 1 Iк=30 мA, f=0,27к Гц )при Тс=+125 0С
1.6. Входное сопротивление в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ при Iэ=5 мA (при UК= 5, f=0,27к Гц )
h11э
130
2500
1.7. Емкость коллекторного перехода, пФ(при UК= 10 f=500к Гц )1.8 Емкость эмитерного перехода, пФ(при f=500к Гц )1.9 Напряжение насыщения коллектор - эмиттер, В(при Iк=300 мA, Iб=60 мA )1.10 Напряжение насыщения база - эмиттер, В(при Iк=300 мA, Iб=60 мA )1.11 Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц(при UК= 5 Iк=10, мА )1.12. Выходная проводимость в режиме малого сигнала, при х.х в схеме с ОЭ при Iэ=1 мA (при UК= 5, f=0,27к Гц )
СКСЭUКЭ насUБЭ насFгр
h22э
5
0,15
501000,41,5
0,55
2.) Максимально допустимые параметры. Гарантируются при температуре окружающей среды Тс=-60…+125 0С
2.1. Iк max - постоянный ток коллектора, мА
0,3
2.2. Iк и max - импульсный ток коллектора, мА при tи 100 мкс и Q10
0,5
2.3. Uк бmax - постоянное напряжение коллектор-база, В
0,1
2.4. Uкэ max - постоянное напряжение коллектор-эмиттер (при Rб2 кОм), В
45
2.5. Uэб max - постоянное напряжение эмиттер-база, В
45
2.6. Pк max - постоянная рассеиваемая мощность, мВт
200
2.7.Т п мах - Температура перехода, 0С
150
2.8. Допустимая температура окружающей среды, 0С
-60…+125
3. Схема цепи питания и стабилизации режима работы транзистораРис. 1Назначение элементов схемы:Rэ - задаёт обратную связь;Rн - сопротивление нагрузки ;
Сс - разделительный конденсатор, задерживает постоянную составляющую входного сигнала (это может привести к искажению начального тока смещения);
В нашей схеме используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина резистора Rэ, задающего обратную связь, определяется из условия Rэ=[(0,10,3)Еп]/Iэ. Затем выбираем ток делителя Iд протекающий через R2, из условия
Iд =[(310)Iб и определим величины резисторов R1, R2, по следующим соотношениям:
4. Построение нагрузочной прямой по постоянному току
Выходные характеристики используемого транзистора:
?IБ=0,01 мА
Рис. 2
Уравнение нагрузочной прямой при выборе схемы с включения биполярного транзистора
Нагрузочную прямую строим по двум точкам:
при Iк=0 и Uкэ=Eп = 30 В
Выбираем из ряда номинальных значений =430 Ом
при Uкэ=0 и
Рабочая точка (т.О) выбирается посередине участка нагрузочной прямой в точке пересечения ее с выходной характеристикой (рис.2, прямая АВ).
Входные характеристики используемого транзистора:
Рис. 3
Параметры режима покоя: Uкэ0 = 16 В, Iк0= 5,5 мА, Iб0=0,03 мА, Uбэ0= 0,63 В.
Стабилизация тока осуществляется за счет последовательной отрицательной обратной связи, которая вводится с помощью резистора Rэ. Нежелательная обратная связь по переменному току может быть устранена путем шунтирования резистора Rэ конденсатором большой емкости.
Ток делителя Iд, протекающий через R2 выберем из условия Iд=(3?10)Iб0, возьмем Iд=10Iб0=0,3 мА
Определим величины резисторов R1 и R2:
Разделительный конденсатор Сс принимаем емкостью 100 мкФ.
5. Определение малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке1.) Входное сопротивление, измеряемое при коротком замыкании на выходе транзистора, Используя выходные характеристики транзистора (Рис. 4)
Рис. 4
2.) Коэффициент передачи по току, измеряемый при коротком замыкании на выходе транзистора, используем входные характеристики транзистора (Рис.5)
Рис. 5
3.) Выходная проводимость, измеряемая при холостом ходе на входе транзистора, используем входные характеристики транзистора (Рис. 6)
Рис. 6
4.) Коэффициент обратной связи, измеряемый при холостом ходе на входе транзистора:
Для всех типов биполярных транзисторов и рабочих точек принято
(Iб , Iк ,Uбэ , Uкэ - приращения, взятые симметрично относительно рабочей точки О).
6. Определение величин эквивалентной схемы транзистора
Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиколетто) представлена на рис. 3.
Рис.7Барьерная ёмкость коллекторного перехода; Выходное сопротивление транзистора; Сопротивление коллекторного перехода; Сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока; Сопротивление эмиттерного перехода для базового тока; Распределение сопротивления базы; Берем = 100 ОмДиффузионная ёмкость эмиттерного перехода;
7 нФ
Собственная постоянная времени транзистора;
Крутизна транзистора;
мА/В
7. Определениеграничной и предельных частот биполярного транзистора
1. Граничная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ:
2. Предельная частота в схеме с ОЭ:
3. Предельная частота транзистора по крутизне:
4. Максимальная частота генерации:8. Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменномутоку
Сопротивление нагрузки по переменному току для биполярного транзистора рассчитывается по формуле:
Для построения нагрузочной прямой по переменному току воспользуемся двумя точками:
1.);
2.) - точка покоя (т.О)
Нагрузочная прямая по переменному току приведена на рисунке 8 (прямая CD).
?IБ=0,01 мА
Рис.8
9. Построение сквозной характеристикиДля построения сквозной характеристики воспользуемся нагрузочной прямой по переменному току и выходными характеристиками приведенными на рисунке 8. По точкам пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками строим сквозную характеристику Iк(Uбэ). Точки для построения проходной характеристики (зависимости Iк от Uбэ) представлены в таблице 1, а график зависимости на рисунке 9.Таблица 1
Iк, мА
0,2
1,6
3,6
5,5
6,6
8,5
10,2
11,8
13,3
Uбэ, В
0,5
0,59
0,61
0,63
0,64
0,65
0,66
0,67
0,68
Iб, мА
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
10. Определение динамических параметров усилительного каскадаДинамические параметры усилительного каскада определяются для двух величин амплитуды входного сигнала Uвх: Uвхн и Uвхн/2.B: Iб=0,01 Uбэ=0,59 Iк=1,5D: Iб=0.0125 Uбэ=0,612 Iк=3,8A: Iб=0,03 Uбэ=0,632 Iк=6,9E: Iб=0,06 Uбэ=0,654 Iк=9,9C: Iб=0,08 Uбэ=0,675 Iк=13,21) Коэффициент усиления по напряжению, Кu (отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе) определим по формуле,где значение берем на выходной характеристике вблизи рабочей точки;1.1) для Uвхн:
,
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным 2Uвхн; Ku<0, так как фаза равна р.
1.2.) для Uвхн/2:
,
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным Uвхн; Ku<0, так как фаза равна р.
2.) Коэффициент усиления по току Кi (отношение установившегося значения тока сигнала в нагрузку к току сигнала на входе) определим по формуле
,
где значение , берем на выходных характеристиках вблизи рабочей точки (точки E и F на графике);
2.1) для Uвхн:
;
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным 2Uвхн;
2.2.) для Uвхн/2:
;
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным Uвхн;
3.) Коэффициент усиления по мощности определим по формуле
Нелинейные искажения - это изменения формы колебания, обусловленные кривизной характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов, микросхем и др. элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое колебание. На этом основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.
Коэффициентом гармоник называется отношение эффективного (действующего), значения суммы высших гармоник выходного напряжения к эффективному значению первой его гармоники, вычисляется по формуле.
где - действующие напряжения отдельных гармоник выходного напряжения.
Этот коэффициент можно определить по сквозной характеристике (метод Клина), который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоники выходного сигнала по формуле:
,
где - коэффициенты второй и третьей гармоники, определяются графически.
Для этого на сквозной характеристике, рис. 5, отмечают пять точек, соответствующих: точке покоя, наибольшей амплитуде входного сигнала, половине наибольшей амплитуды сигнала (с учетом обеих полуволн). Значения переменных а, в и с определяются графически по рис 5.
a = 13 - 7=6
b=7 - 1,5=5,5
с = 9,9 - 3,8=6,1
ЗаключениеВ ходе выполнения курсовой работы были изучены характеристики и параметры биполярного транзистора, схема включения транзистора в качестве активного элемента усилителя, схема замещения транзистора и ее параметры. Рассчитаны динамические параметры каскада для двух значений амплитуды входного сигнала. Выяснено, что коэффициенты гармоник и степень нелинейных искажений существенно зависят от амплитуды входного сигнала (при уменьшении амплитуды искажения уменьшаются).Список литературыЕлфимов В.И., Устыленко Н.С. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Методические указания к выполнению курсовой работы. Екатеринбург: УрКСИ, 1998.Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. Б. Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1982.Цыкина А.В. Электронные усилители. Учеб. пособие для техникумов связи, 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1982.