Электроника Задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» (стр. 1 )

РОСЖЕЛДОР

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(РГУПС)

ЭЛЕКТРОНИКА

Задание на контрольную работу с методическими указаниями

для студентов специальности 210700

«АВТОМАТИКА, ТЕЛЕМЕХАНИКА И СВЯЗЬ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ»

Учебно-методическое пособие

Ростов-на-Дону

2005

УДК 621:38

Духанин, В. М.

Электроника. Задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»: учебно-методическое пособие / ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2005. – 20 с.: ил.

Приведены задание на контрольную работу по дисциплине «Электроника» и методические указания по её выполнению. Даётся пример расчёта предлагаемой в задании схемы и её экспериментального исследования в виртуальной электронной лаборатории на базе программного комплекса Electronics Workbench.

Предназначено для студентов специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

Рецензент канд. техн. наук, доц. (РГУПС)

Учебное издание

Электроника. Задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

Учебно-методическое пособие

Гончаров

Техническое редактирование и корректура

Подписано в печать 12.12.2005. Формат 60х84/16.

Бумага газетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,16.

Уч.-изд. л. 1,11. Тираж 60 экз. Изд. № 69. Заказ №  .

Ростовский государственный университет путей сообщения

Ризография РГУПС

Адрес университета:344038, Ростов-н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2005

Содержание

Общие методические указания

Задание на контрольную работу

Методические указания к выполнению контрольной работы

Расчёт каскада с общим эмиттером

Расчёт каскада с общим истоком

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Библиографический список

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Изучение дисциплины следует начинать с подбора литературы. Все основные вопросы программы изложены в учебниках и учебных пособиях [1; 2; 3]. При изучении отдельных разделов дисциплины можно пользоваться дополнительной литературой [4-8]. Особенно ценными для студентов, обучающихся по заочной форме, могут оказаться книги «Полупроводниковая схемотехника» [9] и «Искусство схемотехники» [10], сочетающие полноту рассматриваемых вопросов с доступностью и ясностью изложения.

После изучения теоретического материала студент должен выполнить контрольную работу.

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

В контрольной работе по исходным данным, указанным в табл.1 и табл.2 приложения 1, требуется выбрать одну из предложенных схем однокаскадного транзисторного усилителя (см. рис. 1), выбрать режим покоя усилительного каскада, выбрать тип транзистора, рассчитать параметры элементов схемы и основные параметры усилителя: коэффициент усиления напряжения, входное и выходное сопротивления и коэффициент гармоник, характеризующий возникающие в каскаде нелинейные искажения. Воспользовавшись результатами расчёта и графоаналитическим методом анализа [1, с.94-103, 138-141], нарисовать с соблюдением масштабов по осям координат примерный вид вольт-амперных характеристик использованного в работе транзистора и построить с их помощью временные диаграммы входного и выходного напряжений.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

В соответствии с заданием необходимо рассчитать однокаскадный усилитель на биполярном или полевом транзисторе. Входное сопротивление усилителя совместно с внутренним сопротивлением генератора образуют делитель напряжения, уменьшающий уровень сигнала на базе или затворе транзистора. Это в итоге приводит к уменьшению выходного напряжения и может рассматриваться как потеря усилительных свойств каскада. Одна из особенностей усилителей на биполярных транзисторах связана с проблемой получения большого входного сопротивления. Эта проблема практически отсутствует в каскадах на полевых транзисторах. При выполнении контрольной работы, выбирая схему каскада, можно воспользоваться следующим соображением: если сопротивление генератора превышает (3…5) кОм, то следует использовать схему с полевым транзистором. Решение о целесообразности выбора одной из схем на биполярном транзисторе принимается в процессе расчёта при более детальном анализе исходных данных.

При выборе типа транзистора можно ограничиться сведениями, указанными в табл. 3 и табл. 4 приложения 2. Напряжение источника питания необходимо выбирать из ряда: (3, 5, 10, 12, 15, 24, 36, 48, 60, 90) В. Расчётные значения сопротивлений схемы следует сразу после вычислений заменять номинальными значениями сопротивлений резисторов из ряда Е12. Шкала номинальных сопротивлений постоянных резисторов общего применения для ряда Е12 определяется числовыми коэффициентами (1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2), умножаемыми на любое число, кратное 10. Обычно в подобных схемах используются оксидные полярные конденсаторы, имеющие значительный разброс параметров. Поэтому расчётные значения ёмкостей следует заменить номинальными значениями из следующего ряда: (1; 2; 5; 10; 20; 50; 100 и т. д.) мкФ.

Рис. 1. Схемы однокаскадных транзисторных усилителей

Расчёт каскада с общим эмиттером

Схемы усилительных каскадов с общим эмиттером, показанные на рис. 1, можно рассчитывать в следующей последовательности.

Вычислить минимальное значение напряжения источника питания, при котором возможно получение заданной амплитуды выходного напряжения: ЕК>3UmВЫХ. Выбрать стандартное напряжение из ранее предложенного ряда. Для получения малых нелинейных искажений при заданной амплитуде выходного напряжения выбрать напряжение коллектор-эмиттер в режиме покоя: UП. КЭ≈0,5ЕК. Рассчитать и выбрать ток покоя коллектора: IП. К>1,5UmВЫХ/rН. При дальнейшем расчёте можно считать, что ток покоя эмиттера IП. Э≈I мощность, рассеиваемую в режиме покоя на коллекторе транзистора: РП=IП. К UП. КЭ Выбрать транзистор по параметрам предельного режима эксплуатации: РК. MAX>РП, IК. MAX>2IП. К, UКЭ. MAX>ЕК. Для надёжной работы транзистора следует создать эксплуатационный запас, при котором токи, напряжения и рассеиваемая на нём мощность не должны превышать (70…80)% от максимально допустимых значений. Не следует применять мощные транзисторы там, где возможно применение маломощных транзисторов, так как коэффициент передачи по току мощных транзисторов в режиме малых токов мал и сильно зависит как от тока, так и от температуры окружающей среды. Выписать основные параметры, необходимые для последующих вычислений: обратный ток коллекторного перехода IКО при нормальной температуре, возможные значения статического коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (ВMIN…ВMAX) ≈H21Э. Вычислить суммарное сопротивление, ограничивающее токи эмиттера и коллектора транзистора: RО=RК+RЭ1=(ЕК– UП. КЭ)/I сопротивление обратной связи в эмиттерной цепи, обеспечивающее требуемую температурную стабильность режима покоя (рабочей точки): RЭ1>2 ДТО 10-3/дI I вычисленное значение сопротивления номинальным из ряда Е12. Рассчитать сопротивление в цепи коллектора: RК=RО–RЭ1 и заменить вычисленное значение сопротивления номинальным из ряда Е12. Чтобы рассчитать цепь смещения, необходимо вычислить ток покоя базы IП. Б=IП. К/ВMIN, значение обратного тока коллекторного перехода при максимальной температуре IКО. MAX ≈IКО2ДТ/10 и выбрать значение напряжения база-эмиттер в режиме покоя UП. БЭ, которое для кремниевых транзисторов примерно равно 0,6 В. Чтобы ослабить влияние нестабильности параметров транзисторов на стабильность режима покоя, следует выбрать ток делителя IДЕЛ=ЕК/(RБ1+RБ2) в цепи базы с учётом неравенств:

IДЕЛ>(3…5)IП. Б и IДЕЛ>(3…5) IКО. MAX.

После выбора тока делителя можно вычислить одно из сопротивлений RБ2=(UП. БЭ+IП. ЭRЭ1)/IДЕЛ в цепи базы, а после замены расчётного значения на номинальное – второе сопротивление RБ1=(ЕК/IДЕЛ) – RБ2. Рассчитать значения малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке: дифференциальный коэффициент передачи тока базы в≈В≈H21Э, дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ≈цТ/IП. Э, дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттер rКЭ≈(1…3)103/вMAXI цТ –температурный потенциал полупроводника, который при нормальной температуре равен примерно 25 мВ. Схему усилителя можно выбрать, руководствуясь следующими соображениями. Если сопротивление rЭВMIN>(5…10)rГ, можно выбрать схему, показанную на рис. 1,б. При RЭ1BMIN>10rГ  следует отдать предпочтение схеме на рис. 1,в. Схемы отличаются характером отрицательной обратной связи по току эмиттера. В схеме на рис. 1,а действует отрицательная обратная связь как по постоянному, так и по переменному току. В качестве сопротивления обратной связи выступает сопротивление RОС==RОС≈=RЭ1. Сопротивление RОС= стабилизирует режим покоя, а сопротивление RОС≈ уменьшает коэффициент усиления напряжения и нелинейные искажения в F раз, где =1+RОС=/rЭ и F≈=1+RОС≈/rЭ – глубина отрицательной обратной связи по постоянному (F=) и переменному (F≈) напряжению. В схеме на рис. 1,б сопротивление обратной связи по постоянному напряжению RОС==RЭ1, а по переменному напряжению в полосе пропускания усилителя сопротивление обратной связи RОС≈ стремится к нулю, и обратная связь по переменному напряжению отсутствует (F≈=1) , так как при достаточно большой ёмкости сопротивление XC=1/wCЭ<<RЭ. В схеме каскада на рис. 1,в сопротивление RОС==RЭ1, а сопротивление RОС≈=RЭ1| |RЭ2. Это позволяет выполнять независимый подбор параметров усилителя на постоянном и переменном токе. В качестве основных параметров каскада, характеризующих его усилительные свойства в полосе пропускания, обычно рассматривают выходное сопротивление, входное сопротивление и коэффициент усиления напряжения. Выходное дифференциальное сопротивление можно рассчитать по формуле rВЫХ≈rКЭ||RК, а входное дифференциальное сопротивление – по формуле rВХ≈RБ1||RБ2||вMINrЭF≈, где знаком || обозначено параллельное соединение элементов. Коэффициент усиления напряжения каскада с общим эмиттером при отключённой нагрузке (в режиме холостого хода) в полосе пропускания можно рассчитать по универсальной формуле KU. ОЭ=вMIN rВЫХ/rВХ. Результирующий коэффициент усиления зависит от потерь напряжения во входной цепи связи каскада с генератором и в выходной цепи связи с нагрузкой. Коэффициент передачи входной и выходной цепей можно рассчитать по формулам KU. ВХ =rВХ/(rВХ +rГ), KU. ВЫХ=rН/(rН+rВЫХ), а результирующий коэффициент усиления напряжения – по формуле KU=KU. ВХKU. ОЭKU. ВЫХ. Нелинейные искажения возникают как во входной цепи из-за нелинейности вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода, так и в выходной цепи из-за конечного диапазона возможных значений напряжения коллектор-эмиттер, зависимости коэффициента в от тока эмиттера и напряжения коллектор-эмиттер. Если амплитуда выходного напряжения намного меньше 0,5ЕК, а напряжение UП. КЭ≈0,5ЕК, то для расчёта коэффициента гармоник каскада с общим эмиттером можно воспользоваться формулой КГ≈UmВХ/4цТF≈, которая при инженерных расчётах достаточно точна, когда КГ<20 %. Здесь UmВХ=UmВЫХ/KU. ОЭKU. ВЫХ – амплитуда входного напряжения, поданного на базу транзистора. Ёмкости разделительных конденсаторов во входной и выходной цепях рассчитываются по формулам: С1>1/2р fН(rВХ+rГ), С1>1/2р fН(rН+rВЫХ). В схеме на рис. 1,б ёмкость конденсатора в цепи эмиттера связана с нижней граничной частотой полосы пропускания формулой СЭ>1/2р fН(rГ/вMIN +rЭ), а в схеме на рис. 1,в – СЭ>1/2р fН(rГ/вMIN +rЭ+RЭ2). Рассчитанные значения ёмкостей заменить номинальными. После выполнения всех расчётов необходимо нарисовать схему, соблюдая требования ГОСТов, указать на ней номинальные значения сопротивлений резисторов, ёмкостей конденсаторов, потенциалы всех узлов в режиме покоя и амплитуды переменных напряжений, действующих в узлах схемы. Воспользовавшись результатами расчёта и графоаналитическим методом анализа [1, с.94-103], нарисовать с соблюдением масштабов по осям координат примерный вид вольт-амперных характеристик использованного в работе транзистора и построить с их помощью временные диаграммы входного и выходного напряжений.

Расчёт каскада с общим истоком