Курсовая работа по по схемотехнике

Содержание
1.
2.
3.
4.
Введение
Исходные данные
Расчёт транзисторного усилителя с активно-емкостной нагрузкой
Обеспечение и стабилизация положения рабочей точки
Графическая часть проекта
Заключение
Список литературы
3
Введение
В импульсных устройствах электронные приборы исполняют роль
усилительных
и
переключающих
элементов
и
используются
в
формирователях, генераторах и усилителях импульсов.
Импульсное напряжение представляет собой совокупность гармоник
широкого
спектра
частот.
Поэтому
большой
интерес
представляют
частотные свойства транзистора. Зависимость поведения транзисторов от
частоты обусловлена относительно медленным движением носителей в базе
и действием внутри транзисторных емкостей. С увеличением частоты время
движения носителей в базе может оказаться соизмеримым с периодом
входного напряжения. В этом случае носители, введенные в большом
количестве в базу во время действия максимального значения входного
напряжения, не успевают еще достичь коллекторного перехода, как
напряжение на входе существенно уменьшается. В результате от места
повышенной концентрации носителей начинается диффузия их не только
коллекторного, но и к эмиттерного переходам – число рекомбинаций
носителей в области базы увеличивается и доля эмиттерного тока,
попадающего в цепь коллектора, уменьшается.
Повышенная рекомбинация носителей в базе приводит к увеличению
базового тока, который на сопротивление базы создаёт напряжение
уменьшающее напряжение на эмиттерном переходе. Этим дополнительно
снижается ток коллектора.
Увеличение тока базы происходит и вследствие запаздывания тока
коллектора относительно тока эмиттера за счёт конечного времени
распространения носителей в области базы. Чем выше частота, тем большую
часть периода входного напряжения составляет это запаздывание, тем
больше фазовый сдвиг между коллекторным и эмиттерным током.
Следовательно, с увеличением частоты уменьшается коэффициент передачи
4
тока и увеличивается фазовый сдвиг между коллекторным и эмиттерным
током.
Указанные зависимости следующим образом преломляются при
усилении импульсов. Для безыскажённого усиления необходимо, чтобы
гармоники
всех
частот
в
спектре
импульсной
последовательности
усиливались совершенно одинаково, а начальный фазовый сдвиг между ними
оставался неизменным. Ни одно из этих условий транзистором не
выполняется.
Таким образом, искажение фронта импульса обусловливается в
транзисторных схемах не только инерционностью внешней цепи, но и самим
транзистором.
Импульсные усилители должны обеспечить усиление импульсов с
минимальным искажениями их формы.
Спектр импульсной последовательности весьма широк. Поэтому
импульсные усилители делают резистивными, которые являются наиболее
широкополосными
5
1.Исходные данные
1. Коэффициент усиления K=30;
2. Время нарастания фронта добавляемое каскадом tн=0,2 мкс;
3. Длительность импульса τимп=5 мкс;
4. Время повторения импульса T=100 мкс;
5. Емкость нагрузки C4=Cн=10 пФ (далее C4 ) ;
6. Сопротивление нагрузки R5=Rн=2 кОм (далее Rн);
7. Относительный спад плоской вершины  ≤0,1.
6
2. Расчёт транзисторного усилителя с активно-емкостной нагрузкой.
Рассчитываю каскад для усиления прямоугольных импульсов по
следующим данным:
Коэффициент усиления K=30;
Время нарастания фронта добавляемое каскадом tн=0,2 мкс;
Длительность импульса τимп=5 мкс;
Время повторения импульса T=100 мкс;
Емкость нагрузки C4=Cн=10 пФ ;
Сопротивление нагрузки R5=Rн=2 кОм;
Относительный спад плоской вершины  ≤0,1.
Проектирование схемы явного импульсного устройства начинаю с
выбора транзистора.
Требуется такой транзистор, который удовлетворяет условию, когда
транзистор VT должен иметь верхнюю граничную частоту:
f a  3 / tн ,
где fa – частота, на которой коэффициент
передачи тока эмиттера
уменьшается по сравнению с низкочастотным значением в 2 раз.
Соблюдение данного условия необходимо для того, чтобы обеспечить
заданное значение время нарастания фронта добавляемое каскадом tн .
Время нарастания определяется как время, требующееся, чтобы
реакция на единичную ступенчатую функцию возросла с 10 до 90 % от
конечного значения. Иногда применяется другое определение: время
нарастания равно обратной величине наклона кривой реакции в момент,
когда реакция достигает половины конечного значения.
fa 
3
3
; fa 
 15МГц ,
tн
0,2  106
7
Данному условию удовлетворяет транзистор КТ361Б с параметрами,
приведёнными в таблице 1 и таблице 2 ниже.
Таблица 1.
Предельные
параметры
Прибор
Ukэr max
при
Т=25◦С
Ukб0 max В
Uэб0 max В
мВт
20
20
4
150
Ik,max
mA
КТ361 Б
50
Tnmax
Pk max
Т◦С
(P max)
◦С
35
120
Tmax
◦С
100
Таблица 2.
Iэ(Ik)
Параметры
при
Т=25◦С
Ikб0(Ikэr)
f гр (fh21)
мА
мкА
МГц
1
1
250
Прибор
H21Э
Ukб В
КТ361 Б
50…350
10
Ck пФ
9
Задаю рабочие параметры:
τ=0,07(мкс);
g21=80(мА/В);
Cк=9(пФ);
Rб=40(Ом);
g22<30·10-6(1/Ом);
g11=0,0015(1/Ом).
Определяю сопротивление резистора R3, который является нагрузкой
на коллекторе
K 0  g 21  R0
R0 
K0
30

 375Ом
g 21 80  103
Пользуясь источником [5,стр 143] округляю до стандартных номинальных
значений по ряду E12 получаю R0  390Ом
8
R3 
K0
1 / Rк  1 / Rн  g 22
отсюда после простых преобразований получаем Rк, которое будет равно:
R3 

K0
30


3
g 21  K 0 1 / Rн  g 22  80  10  30 1 / 2  103  30  106 
30
 468кОм
80  15,9   105
с некоторым запасом округляя до стандартных номинальных значений,
пользуясь источником [5,стр 13] по ряду E24 получаю R3  470кОм
Длительность фронта, добавляемая каскадом, зависит от суммарной
постоянной времени:
tн=2,2τк=2,2(τ+ τi+ τн),
где
 K - постоянная времени усилителя в области ВЧ;
 - суммарная постоянная времени каскада;
i
– постоянная времени перезарядки ёмкости
C K через выходное
сопротивление транзистора и нагрузку R5=Rн;
τн - постоянная времени цепи нагрузки;
Время нарастания фронта импульса, добавляемое каскадом определяю
из приведённых выше формул:
tн  2,2 к  2,2    i   н 
где ti рассчитывается по формуле:
ti  C4  R0 1  g21  Rб 
Cк известно из таблицы, а R0 – из расчёта выше
tн  Cн  R0 ,
так как R0=390 Ом и C4=Cн известно из исходных данных, то
 н  10  1012  390  3900  1012  0,0039 мкс
9
ti  9  1012  390  4,2  9  1012  1638  0,014742  1012  0,014724 мкс
tн  2,2   0,07  0,0039  0,014742   2,2  0,0821  0,1950124  0,2 мкс
следовательно, можно сделать вывод, что транзистор обеспечивает нужный
коэффициент усилений K0 и время нарастания фронта импульса tн.
Определяю емкость конденсаторов C2 и C3 , которые влияют на
вершину импульса.
Искажение
плоской
вершины
импульса
обусловлено
наличием
конденсаторов C2 и C3 . С целью уменьшения искажений эти конденсаторы
выбирают большой емкости, чтобы их заряд длился дольше, чем
длительность импульса.
Относительный спад вершины за счёт C2 определяется выражением:
2 
и
=> C2 
Cп ( RK  RH )
u
2 ( RK  RH )
Относительный спад вершины за счёт CЭ определяется выражением:
3 
 u (q21  q11 )
C3
;q11 
1
;
h11э
где
q 21 -проводимость в прямом направлении;
q11 - входная проводимость.
Распределяю заданный спад плоской вершины импульса следующим
образом:
 2  0,02; 3  0,08
С2 
100  106
100  106

 2,024 мкФ
0,02  470  2000 
49,4
10
C3
80  10

3
 15  104   100  106
0,08
 101,875 мкФ
округляя до стандартных номинальных значений пользуясь литературой
[5,стр143] по ряду E24 выбираю конденсаторы С2  2,2 мкФ и С3  110 мкФ
Данный расчёт взят из [1,стр 106 ]примера 4.2.
11
3. Обеспечение и стабилизация положения рабочей точки.
Малосигнальные параметры транзистора
– это параметры его
эквивалентной схемы, необходимые для расчёт основных усилительных
свойств каскада. Необходимо учитывать, что, во-первых, они определяются
не абсолютными значениями токов и напряжений, а их приращениями
относительно рабочей точки транзистора, и , во-вторых, их величина зависит
от положения рабочей точки, то есть для разных значений постоянных токов
и напряжений даже для одного и того же транзистора малосигнальные
параметры могут существенно отличаться. Малосигнальные параметры
транзисторов могут быть определены по вольт-амперным характеристикам.
Обеспечиваю положение и стабильность рабочей точки. Питающее
напряжение Eк=12В, tº=40ºC. Исходный режим примем: Uк0=-5В; I0к=5мА;
I0б=0,07мА, Uб0=-0,32В, при t=20º тепловой ток Iк0=5мкА
Допустимое изменение коллекторного тока в исходной рабочей точке.
I к  0,1  I ок
I к  0,1  5  103  0,5 мА
Определяю изменение теплового тока при изменении tº c 20º до 40º
I к 0  I к 0  2
40 20
10
 I к 0  5  106  22  5  106  5  106  4  5  106 
 20  106  5  106  15 мкА
Нахожу допустимый коэффициент нестабильности исходного режима в
соответствии с условием (4.4) источника [1,стр 74]
I к 0.5  103
Sн 

 3,3(3)
I к 0 15  106
учитывая, что для обеспечения необходимого напряжения на транзисторе
при данном Eк, напряжение Uэ ограничивают пределами
U э   0,15  0,2  Eк ,
тогда
U э  0,2 Eк  0,2  12  2,4 В
следовательно, сопротивление резистора в цепи эмиттера
12
R4 
Uэ
2, 4

 0, 47 кОм
I э 0  5  0,07   103
округляя до стандартных номинальных значений, пользуясь той же
литературой, по ряду E24 получаю R4  470Ом
по формуле
Rб 
R1 R2
 Rэ  Sн  1
R1  R2
нахожу сопротивление делителя
Rб  R4  Sн  1  0,47  103  3,3  1  1,081кОм
зная g11=0,0015 (Сименс), тогда входное сопротивление:
1
1
Rвх тр 

 0,66кОм
g11 15  104
сопротивление делителя, по существу, не снижает общего сопротивления
каскада.
R  Rвх _ тр || Rб
По формулам (4.10)-(4.12) из [1,стр75] определяю элементы и ток
базового делителя, сопротивление на делителе используется для более
точного задания рабочей точки транзистора:
Eк Rб
R2 

Eк  U б 0   I 0 к  I б 0   I б 0 Rб

12  1100

12  0,32   5  10  0,07  10 3   470  0,07  10 3  1100
3
13200
13200


3
3
12  0,32  5,07  10  470  0,07  10  1100 9,2201
 1431,6548  1432Ом
зная R2 и Rб рассчитываю R1:
R R
1100  1432 1575200
R 1 б 2 

 4744,578Ом
R2  Rб 1432  1100
322

с некоторым запасом округляя до стандартных номинальных значений,
пользуясь [7,стр 30], по ряду E24 получаю R1  4,7кОм и R2  1,5кОм
Для расчёта ёмкости разделительного конденсатора, надо сказать, что
данный конденсатор C1 оказывает влияние на свойства усилительного
каскада только в области низких частот. Их параметры необходимо выбирать
так, чтобы на нижней границе частотного диапазона их реактивное
13
сопротивление было существенно меньше (например, в 10 раз), чем
сопротивление других элементов цепей, в которых они применяются. Тогда
емкости конденсаторов можно определить следующим образом:
10
1
C1 

2 f н RГ  Rвх
где
Rвх  R1 || R2 
4700  1500 7050000

 2203,125Ом
4700  1500
3200
тогда Rвх  2,2кОм , а Rг  100 кОм беру из примера
C1 
10
1

 0,03185  9,8  105  3,1  106
2    50 102200
округляя до стандартных номинальных значений по ряду E24 выбираю
конденсаторы С1  3,3 мкФ .
Iд 
U б 0   I 0 к  I б 0   Rэ
R2
0,32  5,07  103  470 0,32  2,3829


 1,6 мА
1500
1500
Из сравнения Iд, Iб0 и I0к следует, что ток делителя не нагружает источник
питания и удовлетворяет условию Iд« I0к и удовлетворяет условию (4.5)
[1,стр75].
14
Заключение
В результате всех проделанных и проведенных расчетов был найден
транзистор, на основе которого в четвёртом пункте курсового проекта
приведена принципиальная электрическая схема спроектированного
усилителя.
Импульсные усилители обеспечивают усиление импульсов с
допустимыми
искажениями
их
формы.
Спектр
импульсной
последовательности весьма широк, поэтому импульсные усилители делают
резисторными, так как они являются наиболее широкополосными.
Основной целью данной курсовой работы стал расчёт элементов
импульсного усилителя и подбор транзистора, что было приведено в пунктах
два и три.
15
Литература
1. Браммер Ю.А. Пащук И.Н. Импульсная техника: Учебник для радитехн.
спец. техникумов. — 4-е изд., перераб. и доп. - Москва.,: Высшая школа,
1976.-319с.
2. Браммер Ю.А. Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учебник
для студентов электрорадиоприборостроительных сред. спец. учеб.
заведений — 6-е изд., перераб. и доп. - Москва.: Высш. шк., 2002.-351с.
3. Цыкина А. В. Электронные-усилители: Учеб. пособие для техникумов
связи. — 2-е изд., доп. и перераб. - Москва: Радио и связь, 1982. — 288 с.
4. Разработка и оформление конструкторской документации радио
электронной аппаратуры: Справочник / Э.Т. Романычева, А. К. Иванова,
А. С. Куликов, Н. Г. Миронова и др.; Под ред. Э.Т. Романычевой Э.Т. — 2-е
изд., перераб. и доп. - Москва: Радио и связь, 1982. — 288 с.
5. Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутационные
устройства РЭА: Справочник. / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А.
Прохоренок - Минск.: Беларусь 1994. —591с.
16