 |
Требования к содержанию пояснительной записки РГЗ 11 глава
|
|
|
|
Этапы расчета задачи № 5.2 для специальностей: 180404 (электромеханики), 240400 (программное обеспечение), 201300 (радисты)
и других (по указанию преподавателя)
| № | Задание |
| Задание по расчету программы по EWB (Литература: [10]. В.И. Карлащук. Электронная лаборатория на IBM PC. М: Солон-Пресс, 2006) | |
| Выбрать транзисторы и схему включения в соответствии с вариантом | |
| Из примеров схем, представленных в литературе [EWB: common-e.ewb; bootdtra.ewb], выбрать схему в качестве прототипа | |
| Сформировать исследуемую схему ОЭ. Допускается произвести подбором выбор значений напряжений источников питания, резисторов, емкостей для получения устойчивого сигнала | |
| Получить устойчивое изображение сигнала на выходе, считая, что усилитель работает в классе усиления А | |
| Подавая на схему фиксированную частоту, меняя различные входные напряжения, получить данные для амплитудной характеристики | |
| Подавая на схему фиксированное входное напряжение, меняя частоту, получить данные для амплитудно-частотной характеристики | |
| Получить амплитудную характеристику, используя элемент EWB ²Боде – плоттер² [10], [11] | |
| Получить фазочастотную характеристику, используя элемент ²Боде – плоттер² | |
| Представить файл схемы (название файла: Иванов.ewb). Желательно представить распечатку схемы и осциллограммы | |
| Представить исследуемые характеристики | |
| Дать ссылки на используемую литературу и схему, выбранную в качестве прототипа | |
| Рекомендации по использованию EWB [10], [11] После того, как сформирована схема, кликните правой кнопкой мышки, выберите опцию ²Sch. options² и в режиме ²Show/hide² отметьте маркером режим ²Show nodes² (установка номеров узлов). Для того, чтобы правильно использовать транзистор, включенный в библиотеку ЕWВ, необходимо знать его примерные входные выходные характеристики. Для этого следует из справочников (самостоятельно) необходимо узнать соответствие между российскими и импортными приборами, а также уметь использовать автоматический экспресс анализ ВАХ приборов с помощью средств EWB [8], если это позволяет используемая версия EWB, например, режим ²DC Sweep². Сформируйте вспомогательные схемы, идентичные [8] для дальнейшего анализа и научитесь оценивать ВАХ. |
Задача № 5.2.2 ²Расчет параметров каскада по схеме ОИ²
|
|
|
Полевой МОП-транзистор с каналом n -типа (ПТИЗ) имеет максимальную мощность Р mах, включен в усилительный каскад по схеме с общим истоком (рис. 5.4) при ЭДС источника питания Е с. Сопротивление резистора нагрузки R н. Переменная составляющая напряжения затвор-исток равна U вх = U зи.
Характеристики транзистора приведены в таблице 5.4 и на рис. 5.5. Известны нижняя f пн и верхняя f пв частоты полосы пропускания усиливаемых сигналов.
Определить:
- параметры элементов схемы ОИ, необходимые для работы в классе усиления А в выбранном диапазоне частот;
- параметры линии нагрузки по постоянному и переменному току;
- характеристики схемы: коэффициент усиления напряжения, мощность, КПД;
- параметры стокозатворной характеристики; значение крутизны и напряжения отсечки.
Таблица 5.4
Задание к задаче № 5.2.2
| Параметры | Последняя цифра номера зачетки | Пример | |||||||||
| Е к, В | |||||||||||
| r с, Ом | |||||||||||
| R н, кОм | |||||||||||
| Предпоследняя цифра номера зачетки | |||||||||||
| U вх =U зи, В | 0,5 | 0,25 | 0,5 | 0,25 | 0,5 | 0,25 | 0,5 | 0,25 | 0,5 | 0,25 | 0,25 |
| P max, Вт | |||||||||||
| f пн, Гц | |||||||||||
| f пв, кГц |
|
|
|
а) б)
Рис. 5.4. Схема с ОИ необходимые временные диаграммы (б) к задаче № 5.2.2 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. 5.5.
Рис. 5.5. Стоковые и стоко-затворная характеристики ПТИЗ с n -каналом
Этапы расчета задачи № 5.2.2
Для электрической схемы, соответствующей номеру варианта и изображенной на рис. 5.4, выполнить этапы расчета, представленные в таблице 5.3.
Таблица 5.5
Этапы расчета задачи № 5.3.2
| № | Задание | Формула | Пример | ||||
| Зарисовать схему усилительного каскада, входные и выходные статические характеристики транзистора и записать задание, соответствующее номеру варианта (рис. 5.5, табл. 5.4) | |||||||
| Определить (рассчитать) | |||||||
| Оценить, соответствует ли выбранный тип транзистора по его предельным рабочим параметрам U си доп и I с доп (U си доп - наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора) руководствуясь соотношением U си доп» (1,1...1,3) Е с | Изрис. 5.5: U си доп = 14×0,2 = 16,8 В | ||||||
| Построение линии нагрузки по постоянному току производится с учетом уравнения U си = E с - I с(R с + R и)по двум точкам: (I смах; 0) и (0; Е с) | |||||||
| Определение сопротивления R и | R и = 0,2 R с | R и = 206 Ом | |||||
| Определяем общее сопротивление в цепи сток-исток транзистора | R = R и + R с | R = 1236 Ом | |||||
| Определяем максимальный ток в цепи сток-исток | Iс max = E с/ R | Iс max = 11,32 мА | |||||
| Проводим линию нагрузки АБ по постоянному току через точки: (11,3 мА; 0) и (0; 14 В) (рис. 5.5) | |||||||
| Выбор положения точки покоя П производится с учетом с учетом того, что при классе усиления А рабочая точка должна быть примерно посередине линии нагрузки. Поэтому выбираем, например, точку П с координатами (6 мА; 6,6 В) при U зи = -0,75 В | |||||||
| С учетом положения точки П определяем значение постоянной составляющей тока I си0 | При U зи = -0,75В | I си0 = 6 мА | |||||
| С учетом положения точки П определяем значения постоянной составляющей напряжения U си0 коллектора | При U зи = -0,75В | U си0 = 6,3 В | |||||
| Построение линии нагрузки по переменному току | |||||||
| Определение сопротивления нагрузки R н~ по переменному току | R н~ = R с|| R н = R с R н/(R с+ R н). | R н~ = 1014 Ом | |||||
| Определяем максимальный ток в цепи сток-исток (по переменному току) | Iс max = E с/(R н~+ R и ) | Iс max= 11,5 мА | |||||
| Проводим линию нагрузки по переменному току через точки ГВ (рис. 5.5) | |||||||
| Расчет амплитуды переменной составляющей тока стока производим с учетом линии нагрузки по переменному току (рис. 5.5) и условия, что амплитуда переменной составляющей входного напряжения U зи | |||||||
| Определяем значение I сmax при U зи= U зи0+ U вх I бm | Точка С | I сma x= 8 мА | |||||
| Определяем значение I сmin при U зи= U зи0- U вх I бm | Точка Д | I сmin = 4 мА | |||||
| Расчет параметров каскада | |||||||
| Определяем амплитуду переменной составляющей тока I сm стока при возможных изменениях входного напряжения по данным точек С и Д | I сm = (I сmax - I сmin)/2 | I сm =2 мА | |||||
| Определяем амплитуду переменной составляющей напряжения U сm стока при возможных изменениях входного напряжения по данным точек С и Д | U сm = (U сmax - U сmin)/2 | I сm = (8,2-4,2)/2 = 2 В | |||||
| Коэффициент усиления каскада по напряжению КU (по переменной составляющей тока) при U зиm | КU = U cm/ U вх | КU = 2/0,25 = 8 | |||||
| Выходная мощность Р вых. с | Р вых. с = I с mU с m /2 = U 2с m /2 R н~ | Р вых. с = 2 мВт | |||||
| Полная потребляемая мощность в стоковой цепи Р 0 | Р 0 = E с I с0 | Р с0 = 84 мВт | |||||
| КПД стоковой цепи | h = Р вых. с/ Р с0 | h = 2,38 % | |||||
| Мощность Р с0, рассеиваемая на стоке постоянной составляющей тока | Р с0 = I с0| U си0| | Р с0 =37,8 мВт < < Р сmax = 150 Вт, т.е. режим работы допустим | |||||
| Определение параметров резисторов R 1 и R 2 | |||||||
| Сопротивление резистора R 2 выбирается в пределах 1-2 МОм. | R 2 = 1 МОм | ||||||
| Напряжение на резисторе R и при токе I си0 | R и = | UR и|/ I си0 = |U зи0|/ I си0 | UR и = 1,24 В | |||||
| Для расчета R 1 используем тот факт, что напряжение на затворе U з0 должно быть меньше, чем напряжение UR и на величину U зи0, т.е. выполняются соотношения: U зи0 = UR и – U з0 = UR и – UR 20 = I си0 R и – Е с R 2/(R 2 + R 1) | |||||||
| Величина резистора R 1 | R 1 = Е с R 2/(UR и – U зи0) - R 2. | R 1 = 27,8 МОм | |||||
| 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 | |||||||
| Входное сопротивление по переменному току | R вх~= R 1|| R 2 | R вх~= 0,965 МОм | |||||
| Определение значения емкости конденсатора С 1 | 
| С 1 » 0,02 мкФ | |||||
| Определение емкости конденсатора С и цепи истока | С и=10/2p f пн R и | С э » 100 мкФ | |||||
Определение емкости разделительного конденсатора С 2 цепи нагрузки 
| 
| С 2 » 19,6 мкФ | |||||
| Расчет параметров каскада | |||||||
| Построение стокозатворной характеристики I с(U зи) (вторая четверть рис. 5.5, 6) производится с учетом точек линии нагрузки (А, Д,…Б) и стоковых характеристик. Во второй четверти проводится линия стокозатворной характеристики через точки М, N, П, О, К | |||||||
| Путем продолжения (экстраполяции) стокозатворной характеристики определяется максимальный ток стока I мах (точка E) при U зи = 0 (по графику) | I мах = 12,5 мА | ||||||
| Определение максимальной крутизны S mах | S mах = dI c/ dU зи при U зи = 0 | S mах » (12-10)/(0+0,25) = = 2,5/0,25 = 10 мА/В | |||||
| Напряжение отсечки U отс | U отс = 2 I мах/ S mах | U отс = 2,5 В | |||||
| Построить временные зависимости токов и напряжений (2-3 периода колебаний) в различных точках схемы с учетом их постоянных и переменных составляющих (рис. 5.5, 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 [6] | |||||||
| Задание по расчету программы по EWB (Литература: [11]. В.И. Карлащук. Электронная лаборатория на IBM PC. М: Солон-Пресс, 2006) | |||||||
| Выбрать транзисторы и схему включения в соответствии с вариантом и выполнить этапы таблицы 5.5 | |||||||
| В соответствии с вариантом и выполнить этапы таблицы 5.5 | |||||||
Задача № 5.3 ²Расчет автогенератора (мультивибратора) на дискретных транзисторах²
|
|
|
|
|
|
Принципиальная схема автогенератора (мультивибратора) на биполярных и полевых транзисторах приведена на рис. 5.6, 5.7. Данные для расчета приведены в таблицах 5.6, 5.7. Необходимо рассчитать мультивибратор с необходимыми параметрами импульсного сигнала.
Задача № 5.3.1 ²Расчет мультивибратора на биполярных транзисторах²
Схема автогенератора (мультивибратора) на биполярных транзисторах представлена на рис. 5.6. В таблице 5.6 приведены данные для расчетов: U выхm - амплитуда выходного напряжения импульса; f - частота генерируемых импульсов; R н - сопротивление нагрузки; b - коэффициент усиления по току заданного типа транзистора в схеме ОЭ; I кmax - допустимое значение тока коллектора транзистора; s - коэффициент насыщения транзистора.
Объяснить принцип действия и провести расчет мультивибратора. Определить:
|
|
|
-ЭДС источника питания Е;
- сопротивление резисторов базовых цепей R б и цепей коллекторов транзисторов R к для симметричной схемы мультивибратора;
- емкость времязадающих конденсаторов С и разделительного конденсатора С р;
- построить и объяснить временные диаграммы токов и напряжений с учетом расчетных данных
- сформировать автогенератор на основе программы EWB.
Таблица 5.6
Задание к задаче № 5.3.1
| Параметры | Последняя цифра номера зачетки | Пример | |||||||||
| U вых m, В | 8,5 | ||||||||||
| Тип VT* | МП 39Б | МП | МП | ГТ 108Б | КТ 104Б | КТ 202Б | МП | КТ 208А | ГТ 320А | КТ 350А | МП |
| bmin...bmax | По справочнику (см. рекомендуемую литературу) | 10-25 | |||||||||
| I кmax, мА | |||||||||||
| s | 1,6 | 1,5 | 1,4 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,75 | 1,8 | 1,1 | 1,2 | 1,5 |
| Предпоследняя цифра номера зачетки | |||||||||||
| f, кГц | 5,1 | ||||||||||
| R н, кОм |
* - по согласованию с преподавателем тип VT может быть изменен
Рис. 5.6. Мультивибратор на биполярных транзисторах (а) и временные диаграммы его работы (б)
Этапы расчета задачи № 5.3.1
Для электрической схемы, соответствующей номеру варианта и изображенной на рис. 5.6, выполнить этапы расчета, представленные в таблице 5.7.
Таблица 5.7
Этапы расчета задачи № 5.3.1
| № | Задание | Формула | Пример |
| Зарисовать схему мультивибратора на биполярных транзисторах, входные и выходные статические характеристики транзистора и записать задание, соответствующее номеру варианта (рис. 5.6, табл. 5.6) | |||
| Определить (рассчитать) | |||
| Определение напряжение источника питания | Е = (1,1...1,3) U вых | E = 20×1,3 = 26 В | |
| Сопротивление резисторов R к выбирают из решения следующей системы неравенств: |  ;
 ;
300 Ом < Rк <3 кОм.
| R к = 1,5 кОм £ 0,1 R н; R к = 26/300 = 87 Ом 300 Ом < Rк < 3 кОм. | |
| Из интервала допустимых значений R к выбирается его большее значение | Выбирается резистор с учетом рядов номинальных сопротивлений, например, E24 | R к = 1,5 кОм | |
| Возможное амплитудное значение импульса U вых.max должно быть больше заданного значения U вых.m | На практике выбирается: U вых.max = U - D Uкэ = (Е - 0,2) В | U вых.max=25,8 В, что больше чем U вых.m = 20 В | |
| Сопротивление резисторов базовых цепей | 
| R б = 10×1,5×103/1,5 = 10 кОм | |
| Период следования сигнала Т | Т =1/ f | Т = 100 мкc | |
| Расчетное значение емкости времязадающих конденсаторов | 
| С 1 = С 2 = 7,1 нФ | |
| Время импульса t и | 
| t и = 50 мкс | |
| Величина скважности q | q = Т / t и | q = 2 | |
| Коэффициент заполнения g | g =1/q = t и /Т | g= 0,5 | |
| Емкость разделительного конденсатора | 
| С р=66,7 нФ | |
| Длительность фронта выходного импульса на уровне 0,9 U вых.max | t ф = 2,3 RкС | t ф = 24,6 мкс | |
| Длительность среза выходного импульса на уровне 0,9 U вых.max | t с = RкС | t ф =10,7 мкс | |
| Временные диаграммы мультивибратора приведены на рис. 5.6, б | |||
| Расчет схемы рекомендуется проверить построением в программе WORKBENCH. Необходимо установить, резистивные и емкостные элементы в соответствии с рассчитанными значениями. Транзисторы в программе WORKBENCH можно установить достаточно произвольно, однако желательно установить соответствие между отечественными и импортными компонентами [10], [11]. К соответствующим точкам схемы (например, коллектору и базе) необходимо подключить осциллограф (два канала). Запустив программу на расчет, определить по осциллографу: амплитуду, форму, частоту сигналов на элементах мультивибратора. U кэ1, U кэ2, U б1, U б2, U c1, U c3., I б1, I б3. Сравнить полученные значения со своими расчетными данными. Иногда (при правильном расчете параметров схемы) при запуске программы WORKBENCH на осциллографе не устойчивого сигнала или наблюдается прямая линия. Для устранения этого недостатка желательно: а) еще раз проверить расчет своей схемы; б) включить программу на выполнение, и поставить на осциллографе самое низкое значение развертки сигнала; выключить и включить заново программу на исполнение и затем добиться появления устойчивого сигнала подбором необходимой развертки; в) подобрать другой тип транзисторов из библиотеки WORKBENCH, после чего выполнить пункт б. |
Задача № 5.3.2
²Расчет мультивибратора на полевых транзисторах²
Схема автогенератора (мультивибратора) на полевых транзисторах представлена на рис. 5.7. В таблице 5.8 приведены данные для расчетов: Т - период следования импульсов; t и - длительность выходных отрицательных коротких импульсов. Следует учитывать, что, в отличие от мультивибратора на биполярных транзисторов, в исследуемой схеме во временных устойчивых состояниях равновесия разряд конденсаторов происходит практически только через резисторы R з, но не до нулевого напряжения, а до значения, при котором напряжение на затворе становится равным напряжению отсечки U зи отс.
Необходимо: рассчитать мультивибратор с заданными параметрами импульсов.
Таблица 5.8
Задание к задаче № 5.3.2
| Параметры | Последняя цифра номера зачетки | Пример | |||||||||
| Т, мс | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 1,0 |
| t и, мкс | |||||||||||
| E c., В | |||||||||||
| Предпоследняя цифра номера зачетки | |||||||||||
| Тип VT* | КП 103М | КП 103Л | КП 201Е | КП 201И | КП 103К | КП 201Ж | КП 201Л | КП 103Ж | КП 201И | КП 103К | КП 103А |
| U зиотс, В | По справочнику | 3,5 | |||||||||
| Р, мBт |
* - по согласованию с преподавателем тип VT может быть изменен
Рис. 5.7. Мультивибратор на полевых транзисторах (а), выходная характеристика ПТУП (б) и временные диаграммы работы мультивибратора (б)
Таблица 5.9
Этапы расчета задачи № 5.3.2
| № | Задание | Формула | Пример | |||
| Зарисовать схему мультивибратора на полевых транзисторах, стоковые статические характеристики транзистора и записать задание, соответствующее номеру варианта (рис. 5.7, табл. 5.6) | ||||||
| Определить (рассчитать) | ||||||
| При выборе транзистора следует учитывать необходимое условие | Е с/ U зиотс = U си max/ U зиотс > 2,5 | Выбираем Е с = -10 В U си max/ U зиотс = 10/2,5 = 4 > 2,5; условие выполняется | ||||
| Расчет линии нагрузки и режимов работы транзистора (рис. 5.7) При напряжении на затворе U зи=0 транзистор полностью открыт. При этом ток через транзистор должен быть максимальным, чтобы работать на минимальное сопротивление нагрузки. Поэтому произвольно выбираем точку А в области насыщения. Проводим линию нагрузки через точки А и В (рис. 5.7, б). | ||||||
| Изменение тока через открытый транзистор | По графику (рис. 5.7, б) | I с = (0…4,5) мА | ||||
| Изменение напряжения на стоке (от точки С к точке В) по мере открывания транзистора | По графику (рис. 5.7, б) | U си = (-4…-10) В | ||||
| Возможная максимальная амплитуда импульсов D U cи на стоке | D U cи = U симах - U сиmin | D U cи = -4 - (-10) = 6 В | ||||
| Cопротивление R c1, равное R c2, обеспечивает изменение тока I с и напряжения U си в расчетных пределах | ||||||
| Сопротивление резистора R с, который обеспечивает изменение тока I с при изменении напряжения D U cи | R с = D U с/D I с | R с = (10-4)/(4,5-0) = 1,33 кОм | ||||
| Значение реальных номинальных значений резисторов R с1 = R с2 | Выбирается резистор с учетом рядов номинальных сопротивлений, например, ряда E24 | R с1 = R с2 = 1,5 кОм | ||||
| Мощность Р с, рассеиваемая на полностью открытом транзисторе (в т. А) | Р с = U c I c | Р с = 4,5×103×4 = 18 мВт < Р max= 120 мВт, т.е. режим работы допустим | ||||
| Оценка формы сигнала - согласно данным короткий отрицательный импульс t и = 100 мкс снимается с выхода U c2 (рис. 5.7, в), а пауза длится t п = 900 мкс; - время (короткого) импульса t и определяется постоянной времени заряда t32 конденсатора С 2 по цепи: ²общий²® VT 1® С 2® R с2® E с; - за время импульса t и с постоянной времени tр1 происходит разрядка конденсатора С 1 по цепи: ²общий²® VT 1® С 1® R з2® E с; время (длинной) паузы t п определяется постоянной времени tр2 разряда конденсатора С 2 по цепи: ²общий²® VT 2® С 2® R 31® E с; - за время паузы t п с постоянной времени tз1 происходит зарядка конденсатора С 1 по цепи: ²общий²® VT 2® С 1® R с1® E с | ||||||
| Емкость конденсатора С 2, ответственного за время t и импульса, снимаемого с выхода U c2 (рис. 5.7, в) | t и > 3tз2 = 3 C 2 R c2 | C 2 < 10-4/3×1,5×103 = 22,2 нФ | ||||
| Определение времени паузы | t п = T - t и | t п = 900 мкс | ||||
| Сопротивление резистора R з1, определяющего постоянную разрядки tр2 конденсатора С2 (определяет время паузы t п) | t п = T - t и = tр2 = R з1С2 | R з1 = (1000 -100)×10-6/22×10-9 = = 41 кОм | ||||
| Сопротивление резистора R з2 | R з2 = R з1 | R з2 = 41 кОм | ||||
| Емкость конденсатора С1, определяющего время импульса t и | t и = tр1= C 1 R з2 | C 1 = 100×10-6/41×103 = 2,4 нФ | ||||
| Временные диаграммы мультивибратора приведены на рис.5.7, в | ||||||
| Расчет схемы рекомендуется проверить построением в программе WORKBENCH. Необходимо установить, резистивные и емкостные элементы в соответствии с рассчитанными значениями. Транзисторы в программе WORKBENCH можно установить достаточно произвольно, желательно установить соответствие между отечественными и импортными компонентами [10], [11]. К соответствующим точкам схемы (например, стоку и затвору) необходимо подключить осциллограф (два канала). Запустив программу на расчет, определить по осциллографу: амплитуду, форму, частоту сигналов на элементах мультивибратора. U си1, U си2, U з1, U з2, U c1, U c3., I с1, I с3. Сравнить полученные значения со своими расчетными данными. Иногда (при правильном расчете параметров схемы) при запуске программы WORKBENCH на осциллографе не устойчивого сигнала или наблюдается прямая линия. Для устранения этого недостатка желательно: а) еще раз проверить расчет своей схемы; б) включить программу на выполнение, и поставить на осциллографе самое низкое значение развертки сигнала; выключить и включить заново программу на исполнение и затем добиться появления устойчивого сигнала подбором необходимой развертки; в) подобрать другой тип транзисторов из библиотеки WORKBENCH, после чего выполнить пункт б | ||||||
Задача № 5.4 ²Расчет компенсационного стабилизатора²
|
|
|
