Требования к содержанию пояснительной записки РГЗ 10 глава

Рис. 4.5. Качественные зависимости токов и напряжений в цепи при переходном процессе при RC -цепи

 

Рис. 4.6. Расчетные зависимости тока i (t) и напряжения на емкости u_С (t) в процессе переходного процесса при RC -цепи

 

Раздел 5. ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ ²АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ схем²

Задача № 5.1 ²Расчет параметрического стабилизатора на стабилитроне²

Для стабилизации напряжения на нагрузке R _н используется полупроводниковый кремниевый стабилитрон (рис. 5.1), имеющий напряжение стабилизации U _ст.

Известно, что при температуре Т максимальный и минимальный токи стабилитрона I _стmin, I _стmах, сопротивление нагрузки R _н, напряжение U _п источника питания изменяется от (U _min до U _mах); масштаб по оси напряжений U _обр задается параметром u (таблица 3.1).

Рис. 5.1. Схема параметрического стабилизатора (а) ВАХ стабилитрона (б, в)

Необходимо определить:

- сопротивление ограничительного (балластного) резистора R _б, при температуре Т;

- обеспечивается ли стабилизация во всем диапазоне изменений U _п;

- графоаналитическим методом рабочий режим стабилитрона (U _ст, I _ст), подключенного в цепь совместно с балластным резистором;

- параметры статического R ₀ и дифференциального r _диф сопротивлений стабилитрона для среднего значения напряжения питания U _пср;

- значение ТКН стабилитрона;

- определить падение напряжения на балластном резисторе при U _вх = U _mах и U _вх = U _min.

 

Таблица 5.1

Задание к задаче № 5.1

Параметры	Последняя цифра номера зачетки	Пример
R н, кОм	2,1	2,2	2,3	2,4	1,8	1,9	2,0	2,1	2,2	2,3	2,2
I стmin, мА
I стmах, мА
	Предпоследняя цифра номера зачетки
Т, оС
U min, В
U mах, В

Этапы расчета задачи № 5.1

Для электрической схемы, соответствующей номеру варианта и изображенной на рис. 5.1, выполнить этапы расчета, представленные в таблице 5.2.

 

Таблица 5.2

Этапы расчета задачи № 5.1

№	Задание	Формула	Пример
	Зарисовать схему стабилизатора, статические характеристики стабилитрона и записать задание, соответствующее номеру варианта (рис. 5.1, табл. 5.1)
	Определить (рассчитать)
	Среднее значение тока стабилизации I стср, соответствующего режиму стабилизации	I ст.ср= (I стmах +I стmin)/2	I ст.ср = 10,5 мА
	При токе I ст.ср значения U ст1 при 20 оС, U ст2 при 120 оС U ст3 при -40 оС равны (рис. 5.1, б):	точка П1 при Т = 20 оС точка П2 при Т = 120 оС точка П3 при Т = -40 оС	U ст1 = 8,3 В; U ст2 = 8,7 В; U ст3 = 7,9 В;
	Значение ТКН с учетом знака и особенностей видов пробоя: ТКН>0 при U ст > 6В; ТКН<0 при U ст < 5 В	ТКН = (1/ U ст20)(D U ст/D T) (рис. 5.1, б)	ТКН = +(1/8,3)(8,8-7,6)/(120-20)= = + 0,060×10-3 К-1
	Напряжение стабилизации для искомого значения температуры 40 оС	U стТ= U ст20(D T× ТКН +1)	U стТ=40= 8,4 В
	Значение тока I н через нагрузку	I н = U стТ/ R н	I н = 3,82 мА
	Среднее напряжение U ср на входе схемы	U ср =(U min + U max)/2	U ср = 20 В
	Статическое сопротивление R 0 стибилитрона в точке П	R 0 = U стТ/ I стср	R 0 = 0,828 кОм
	Значение дифференциального сопротивления r диф на участке стабилизаци	r диф = dU / dI Рис. 5.1, б	r диф= D U /D I» 0,5/20 10-3 = 25 Ом
	Расчет параметров ограничительного (балластного) резистора R б
	Сопротивление ограничительного резистора R б	R б = (U ср - U cтТ)/(I ст.ср + I н)	R б = 810 Ом
	Мощность, рассеиваемая на R б при средних значениях тока	РR б = R б(I н+ I ст.ср)2	РR б = 0,166 Вт
	Оценка диапазона входных напряжений, при которых реализуется стабилизация
	Расчетное минимальное значение входного напряжения U minр	U minр = U cт + (I стmin + I н) R б	U minр = 12,3 В
	Расчетное максимальное значение входного напряжения U maxр	U maxр = U cт + (I стmax + I н) R б	U max = 36,2 В
	Делаем вывод, что стабилизация реализуется во всем диапазоне изменений входных напряжений U.
	Оценка параметров стабилизации
	Коэффициент стабилизации K ст u по напряжению при U вх= U ср		K ст u = 13,6
	КПД стабилизатора U вх= U ср		h= 11,2 %
	Линия нагрузки для балластного резистора R б описывается уравнением электрического состояния цепи стабилизатора напряжения (в режиме холостого хода при R н ® ¥): U вх= U ср = U стТ + R б I стср
	Координаты точки А (рис. 5.1, в): напряжение на R б при I ст=0 равно U ср	(0; 20 В)
	Координаты точки Б (рис. 5.1, б, в): ток при коротком замыкании стабилитрона I мах=(U ср- U ст)/ R б	I мах = 13,9 мА (13,9 мА; 0 В)
	Падение напряжения на балластном резисторе U б при U вх = U max	U б = U max- U ст	U б» 24-8,4 = 15,6 В
	Падение напряжения на балластном резисторе U б при U вх = U min	U б = U max- U ст	U б » 16-8,4 = 7,6 В

Задача № 5.2 ²Расчет усилительного каскада на транзисторах²

Усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах приведены на рис. 5.2, 5.3. Характеристики транзисторов приведены в таблицах 5.3, 5.5. Рассчитать усилительный каскад на транзисторе с необходимыми параметрами усиления класса А.

Задача № 5.2.1 ²Расчет параметров каскада по схеме ОЭ²

Транзистор включен в усилительный каскад (класс усиления А) по схеме с общим эмиттером (рис. 5.2) при ЭДС источника питания Е _к. Характеристики транзистора приведены в таблице 5.3 и на рис. 5.3. Известны параметры усилительного каскада и усиливаемого сигнала: постоянная составляющая тока базы I _б0, амплитуда переменной составляющей тока базы I _бm, величины сопротивления R _к, сопротивление нагрузки R _н, максимально допустимая мощность Р _кmax, нижняя f _пн и верхняя f _пв частоты полосы пропускания усиливаемых сигналов.

Таблица 5.3

Задание к задаче № 5.2

Параметры	Последняя цифра номера зачетки	Пример
Е к, В
I б0, мА	0,4	0,35	0,3	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45	0,4	0,35	0,3
r к, Ом
R н, Ом
	Предпоследняя цифра номера зачетки
I бm, мА	0,2	0,25	0,3	0,35	0,3	0,25	0,2	0,25	0,3	0,35	0,2
Р кmax, мВт
f пн, Гц
f пв, кГц

Принять, что каскад работает в нормальных стационарных условиях, поэтому влиянием температуры на режим транзистора можно пренебречь.

Допускается проводить линии характеристик между линиями, представленными на рис. 5.3.

а) б)

Рис. 5.2. Схема с ОЭ (а) и необходимые временные диаграммы (б) к задаче 5.2

Необходимо:

- построить линию Р _кmax(U _кэ), как функцию напряжения U _кэ;

- построить линию нагрузки как функцию I _кэ(R _к, U _кэ) по постоянному и переменному току;

- определить постоянные составляющие тока I _к0 и напряжения U _кэ0 коллектора;

- амплитуду переменной составляющей тока коллектора I _к0m;

- амплитуду выходного напряжения U _выхm;

- коэффициенты усиления K_I, K_U, K_P;

- выходную мощность Р _вых.к, мощность, рассеиваемую на нагрузке постоянной составляющей тока коллектора Р_{к 0}, полную потребляемую мощность в коллекторной цепи Р ₀;

- КПД h коллекторной цепи;

Рис. 5.3. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора к задаче № 5.2

- напряжение смещения U _бэ0 и амплитуду входного сигнала U _бэm;

- входную мощность Р _вх;

- входное сопротивление сигнала R _вх;

- сопротивление резисторов R ₁ и R ₂;

- емкость разделительных конденсаторов С _{1 и} С ₂, конденсатора в цепи эмиттера С _э с учетом того, что диапазон усиливаемых колебаний f _пн - f _пв;

- рассчитать и объяснить физический смысл малосигнальных h -параметров транзистора VТ с учетом его характеристик.

Этапы расчета задачи № 5.2.1

Для электрической схемы, соответствующей номеру варианта и изображенной на рис. 5.3, выполнить этапы расчета, представленные в таблицах 5.4, 4.5.

Таблица 5.4

Этапы расчета задачи № 5.2.1

№

Задание

Формула

Пример

Зарисовать схему усилительного каскада, входные и выходные статические характеристики транзистора и записать задание, соответствующее номеру варианта (рис. 5.3, табл. 5.3)

Определить (рассчитать)

Оценить, соответствует ли выбранный тип транзистора по его предельным рабочим параметрам U кэ доп и I к доп (U кэ доп - наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора) руководствуясь соотношением

U кэ доп ³ (1,3...1,3) Е

Изрис. 5.3, б: U кэ доп = 18 В

Построение линии максимально допустимой мощности Р кmax(U кэ)

На семействе выходных характеристик строим линию максимально допустимой мощности Р кmax(U кэ), используя соотношение Р кmax= I кmах | U кэ| (рис 5.3, б)

I кmах = Р кmax/| U кэ| Расчет по точкам: U кэ: 7,5; 10; 15; 20

I кmах =150×10-3/| U кэ|, A

Построение линии нагрузки EПМ по постоянному току производится по двум точкам: (I кмах; 0) и (0; Е к)с учетом уравнения U кэ= E к - I к(R к + R э)

Определение сопротивления R э, с учетом, что R э = (0,15-0,2) R к

Выбираем R э = 0,2 R к

R э =200 Ом

Определяем общее сопротивление в цепи эмиттер-коллектор транзистора

R = R э + R к

R = 1200 Ом

Определяем максимальный ток в цепи эмиттер-коллектор

Iк max = E к/ R

Iк max = 11,8 мА

Проводим линию нагрузки по постоянному току через точки: (11,8 мА; 0) и (0; 14 В)

Выбор положения точки покоя П производится с учетом величины постоянной составляющей тока базы I б0 = 0,3 мА= 300 мкА (с учетом класса усиления А рабочая точка должна быть примерно посередине линии нагрузки)

С учетом положения точки П определяем значение постоянной составляющей тока I к0

I к0 = 6 мА

С учетом положения точки П определяем значения постоянной составляющей напряжения U кэ0 коллектора

U кэ0 = 7 В

Построение линии нагрузки по переменному току

Определение сопротивления нагрузки R н~ по переменному току

R н~ = R к|| R н = = R к R н/(R к + R н).

R н~ = 500 Ом

Определяем максимальный ток в цепи эмиттер-коллектор

Iк max~= E к/(R ~ + R э)

Iк max = 20 мА

Полагая, что переменный ток коллектора изменяется от тока покоя I к0 до нуля на величину ∆ I к, определяем соответствующее ему переменную составляющую приращения напряжения "коллектор – эмиттер" ∆ U кэ ~на нагрузке R н~

∆ U кэ ~ = ∆ I к R н ~= I к0 R н ~

∆ U кэ ~ = 3 В

Откладывая значение ∆ U кэ~ от абсциссы U кэ0 вправо (рис. 5.3, б), из точки Т с новой абсциссой (U кэ0 + ∆ U кэ~) под углом j ~ проводят прямую линию нагрузки, которая должна пройти через точку П. Таким образом, линия, проведенная через найденные две точки, является линией нагрузки каскада по переменному току, которая показывает, как перемещается рабочая точка П(i к, u кэ) при изменении мгновенных значений i к(t) и u кэ(t) переменного коллекторного тока.

Расчет амплитуды переменной составляющей тока коллектора производим с учетом линии нагрузки по переменному току (рис. 5.3, б) и условия, что амплитуда переменной составляющей тока базы равна I бm

Определяем значение I кmax при I б = I б0+ I бm

Точка А

I кmax = 9 мА

Определяем значение I кmin при I б = I б0- I бm

Точка Б

I кmin = 2 мА

Определяем амплитуду переменной составляющей тока I кm коллектора при возможных изменениях тока базы

I кm = (I кmax - I кmin)/2

I кm = 3,5 мА

Расчет параметров каскада

Амплитуда переменного напряжения на нагрузке (с учетом линии нагрузки по переменному току)

UmRн~ = Umкэ = I кm R н~

UmRн~ = Umкэ =1,75 В.

Коэффициент усиления каскада по току КI (по переменной составляющей тока)

КI = I кm/ I бm

КI = 17,5

Выходная мощность Р вых. к

Р вых. к = I к mU к m /2 = = U 2к m /2 R н~

Р вых. к = 3 мВт

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи Р 0

Р 0 = E к I к0

Р к0 = 84 мВт

КПД коллекторной цепи

h = Р вых. к/ Р к0

h =3,65 %

Мощность Р к0, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей тока

Р к0 = I к0| U кэ0|

Р к0 = 42 мВт < Р кmax=150 Вт, т.е. режим работы допустим

Учет входной характеристики и расчет входных параметров Поскольку у биполярных транзисторов входные характеристики расположены близко друг к другу, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических входных характеристик, соответствующую активному режиму, например, характеристику при U кэ=5 В и для сравнения, рассмотреть характеристику при U кэ=0В (рис. 5.3, а)

Определяем напряжение смещения U бэ0 при токе I б0 (точка П)

U бэ0 » 260 мВ

Определяем значение U бэmax при I б = I б0 + I бm

Точка А

U бэmax= 277 мВ

Определяем значение U бэminпри I б = I б0 - I бm

Точка Б

U бэmin= 187 мВ

Определяем амплитуду переменной составляющей входного напряжения U бэкm базы при возможных изменениях тока базы

U бэm= (U бэmax - U бэmin)/2

U бэm= 45 мВ

Модуль коэффициента усиления по напряжению KU.

|KU | = UmRн~ / U бэm

|KU | = 38,9

Коэффициент усиления по мощности KP.

KP = |KU КI |

KP = 680,6

Входная мощность Р вх

Р вх = I бm U бэm/2

Р вх = 4,5 мкВт

Входное сопротивление R вх~ (по переменному току)

R вх~= U бэm/ I бm

R вх~= 225 Ом

Определение параметров делителя напряжения на резисторах R 1 и R 2

Из практических соображений выбираем значение тока I д через резистор R 2

I д = 10 I б0

I д = 3 мА

Определяем величину резистора R 2

R 2 » 1 кОм

Определяем величину резистора R 1

R 1 » 3,3 кОм

Расчет емкостей Выбор значений емкостей конденсаторов С 1, С 2, С э обуславливается требованием: реактивное сопротивление X С=1/w C на низшей частоте пропускания f пн на порядок меньше соответствующих сопротивлений Ri

Определение значения емкости конденсатора С 1

С 1 » 88,5 мкФ

Определение емкости конденсатора С э цепи эмиттера

С э=10/2p f пн R э

С э » 99,5 мкФ

Определение емкости разделительного конденсатора С 2 цепи нагрузки

С 2 » 39,8 мкФ

Расчет h -параметров усилителя в рабочей точке Экспериментальное определение h -параметров может быть произведено путем анализа статических вольтамперных характеристик транзистора. Рассмотрим статические характеристики транзистора n-p - n -типа в схеме с общим эмиттером (Рис. 5.3) в рабочей точке П с параметрами: U кэ=7 В, I к0= 6 мА, I б0 = 0,3 мА. Выбрав на статической характеристике рабочую точку П, выделим вблизи ее приращения тока базы D I б, а также D U бэ, D U кэ (Рис. 5.3), характеризующие малые (переменные) приращения параметров схемы. Соотношения между малыми приращениями характеризуют h -параметры схемы.

Параметр h 11э, характеризующий входное сопротивление транзистора R вх по переменному току, может быть определен по входной характеристике в области точки П (Рис. 5.3) по точкам М и N

h 11э = |D U бэ|/|D I б| при U кэ0=соnst

h 11э = R вх =   = (275-225)мВ/(390-190) мкА =   = 50×10-3/0,2×10-3 = 250 Ом

Параметр h 12э характеризующий коэффициент обратной связи по напряжению, может быть определен по входной характеристике в области точки П по точкам П и L

h 12э = (D U бэ /D U кэ) при I б0 = const

h 12э = (240-260)мВ/(0-5)В=   = 20×10-3/5 = 0,004×

Параметр h 22э, характеризующий выходную проводимость транзистора, может быть определен по выходной характеристике по точкам Д и С

h 22э =(D I к/D U кэ) при I б = const

h 22э = (6,4-5,7)мА/(10-4)В=   = 0,7×10-3/6 = 117 мкСм×

Выходное сопротивление R вых~ по переменному току

R вых~=1/ h 22э

R вых~= 8,57 кОм

Параметр h 21э, характеризует коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, может быть определен выходной характеристике по точкам Г и В

h 21э =b = (D I к/D I б) при U кэ=const

h 21э = b = (7,5 - 4)мА/(0,4 - 0,2) мА = =17,5

Крутизна транзистора S определяется с учетом соотношения

S = d i э/d u бэ ≈ d i к/d u бэ = = (D I к/D I б)//|D U бэ|/|D I б|)= h 21э/ h 11э

S = 82,9 мА/В

Построить временные зависимости токов и напряжений (2-3 периода колебаний) в различных точках схемы с учетом их постоянных и переменных составляющих (рис. 5.3, б) в режимах усиления А, В (рабочая точка в области отсечки и насыщения). Обратить внимание, что ряд напряжений и токов могут иметь как постоянные, так и переменные составляющие [2].

Таблица 5.5

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: