Построение нагрузочной прямой по постоянному току, выбор положения рабочей точки и определение величин элементов цепи питания и стабилизации режима работы

Цель работы стр. 3

Построение нагрузочной прямой по постоянному

Току, выбор положения рабочей точки и определе-

Ние величин элементов цепи питания и стабилиза-

Ции режима работы стр. 4

Определение малосигнальных параметров транзи-

Стора в рабочей точке. cтр. 7

Рассчет величин схемы замещения. стр. 9

Граничные и предельные частоты биполярного

Транзистора. стр. 10 6.Определение сопротивления транзистора по

переменному току. стр. 11 7. Построение сквозной характеристики I_к(U_бэ)

и определение наибольшей величины U_вх _н,

При которой охватывается вся переменная часть

Сквозной характеристики. стр. 13

Определение динамических параметров усили-

Тельного каскада для двух величин амплитуды

входного сигнала U_вх: U_{вх н}, и ½*U_вхн стр. 14

9.Определение Кг – коэффициента нелинейных

Искажений или коэффициента гармоник стр. 15

Заключение стр. 16

Список литературы стр. 17

Приложение стр. 18
1.Цель курсовой работы

Цель курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Основы схемотехники», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а так же в активизации самостоятельной учебной работы студентов, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные схемы биполярных транзисторов, получить разностороннее представление о конкретных электронных элементах.

В ходе выполнения курсовой работы необходимо для заданного типа транзистора выписать паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбрать положение режима покоя, для которого рассчитать величины элементов эквивалентных схем транзистора и малосигнальные параметры транзистора, графо-аналитическим методом определить параметры усилительного каскада.

Задание на курсовую работу.

o Тип транзистора___________________КТ208Ж

o Напряжение источника питания______Е_п=30В

o Сопротивление в цепи коллектора____R_к=2,2 кОм

o Сопротивление нагрузки____________R_н=3 кОм

Построение нагрузочной прямой по постоянному току, выбор положения рабочей точки и определение величин элементов цепи питания и стабилизации режима работы

На семействе выходных характеристик построим нагрузочную прямую по постоянному току, проходящую через две точки:

Рис1. Семейство выходных характеристик транзистора КТ208Ж.

при I_к=0, =>U_кэ=Е_п

при U_кэ=0, => U_кэ=E_п/(R_к+R_э)=Е_п/1,2*R_к

I_к=0, => U_кэ=15В

U_кэ=0,=> I_к=30/(440*2200)=11мА

Рис2.Входные характеристики транзистора КТ208Ж.

Координаты рабочей точки:

U_кэ⁰=15В

I_к⁰=5мА

U_бэ⁰=0,66В

I_б⁰=0,075мА

I_э⁰=I_к⁰+I_б⁰=5*10^-3+0,075*10^-3=5,075мА

Для предотвращения сильных нелинейных искажений и тепловой неустойчивости транзистора, а также уменьшения нестабильности параметров усилительного каскада выбираем схему с эмиттерной стабилизацией рабочей точки в которой используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина резистора R_э, задающего обратную связь, определяется из условия R_э=0,2R_к. Затем выберем ток делителя I_д, протекающего через R2, из условия I_д=5*I_б^о и определим величины резисторов R1, R2 по следующим соотношениям:

Рис3.Схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки.

U_R_э=I_э⁰*R_э

U_R₂=U_бэ⁰+U_R_э

R₂=( U_бэ⁰+U_R_э)/ I_д

R₁=(E_п-U_R₂)/(I_д+I_б^о)

R_э=0,2*2200 =440 Ом (номинал R_э=470 Ом)

I_д=5*0,075*10^-3=0,375мА

U_R_э=5,075*10^-3*440=4,84B

U_R₂=0,66 +4,84 =5,5В

R₂=(0,66 +4,84)/ 0,375*10^-3=14,6 КОм (номинал R2=8,2 КОм)

R₁=(30-5,5)/( 375*10^-6 +75*10^-6)=54,4 КОм (номинал R1=47 КОм)

3.Определение малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке.

H_11э= U_бэ/ I_б при U_кэ=5В - входное сопротивление, измеряемое при коротком замыкании

H_21э=I_к/ I_б при U_кэ=5B -коэффициент передачи по току,измеряемое при коротком замыкании на выходе транзистора.

H_22э= I_к/ U_кэ при I_б⁰=0,075мА -выходная проводимость, измеряемая

при холостом ходе на выходе транзистора.

H_11э=(0,69-0,62)/(0,13*10^-3-0,02*10^-3)=636,4 Ом

Для нахождения H_21эи H_22эвоспользуемся рис.4.

рис.4.

H_21э=(7*10^-3-3,2*10^-3)/(0,1*10^-3-0,05*10^-3)=75

H_22э=(6*10^-3-4,1*10^-3)/(25-5)=9,5*10^-5 Cм

4.Рассчет величины схемы замещения.

Для биполярного транзистора задана схема Джиаколлето – физическая малосигнальная высокочастотная схема замещения транзистора.

Рис5. Физическая малосигнальная высокочастотная схема замещения транзистора.

C_к=C_к пост (U_{кб пасп}/U_кб) -барьерная емкость коллекторного перехода.

r_кэ=1/H_22э -выходное сопротивление транзистора.

r_к= r _кэ*(H_21э+1) -сопротивление коллеторного перехода.

r_э=25мВ/I_э⁰мА - сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока.

r_бэ= r _э*(H_21э+1) -сопротивление эмиттерного перехода для базового тока.

r_б=Н_11э-(Н_21э+1)r_э -распределенное сопротивление базы.

C_э=1/(2**f_т*r_э) -диффузионная емкость эмиттерного перехода.

T С_э*r_б -собственная постоянная времени транзистора.

S= H_21э/ H_11э -крутизна транзистора.

Для расчетов необходимо найти Uкб.

U_кб=U_к-U_б=E_п-(R_к*I_к⁰)-(Iэ⁰*R_э+U_бэ⁰)=E_п-I_к⁰*R_к-((I_к⁰+I_б⁰)*R_э+U_бэ⁰)

U_кб=30-5*10^-3*2200-(5,075*10^-3*440+0,66) =15,7 В

C_к=50*(10/15,7)=39пФ

r_кэ=1/(9.5*10^-5)=1,1 КОм

r_к=1,1*10³*76=670 КОм

r_э=25*10^-3/5,075*10^-3=4,3 Ом

r_бэ=4,3 *5,075=218 Ом

r_б=620-326,8=293 Ом

C_э=1/(2*3,14*380*10⁶*4.3)=9,7 нФ

T9,7*10^-9*29328 нс

S=75/636=0,118А/В=118мА/В

5.Граничные и предельные частоты биполярного транзистора.

f_T= |H_21э|* f_изм- граничная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ.

f_а= 1.5* f_т- предельная частота в схеме с ОБ.

f_в= f_т/ (H_21э+1) -предельная частота в схеме с ОЭ.

f_ген=( f_т/(8*П*C_к* r _э)) -максимальная частота генерации.

f_s=1/(2*П*Т) -предельная частота транзистора по крутизне.

f_B=5МГц

f_T= f_B *(H_21э+1)=5*10⁶*(75+1)=380МГц

f_а=1,5*380*10⁶=570МГц

f_ген=(380*10⁶/(8*3,14*39*10^-12*4.3))=146 МГц

fs=1/(2*3,14*28*10^-9 )=5,6 МГц

6.Определение сопротивления транзистора по переменному току.

R_i=(R_к*R_н)/(R_к+R_н)

R_i=(2200*3000)/(2200+3000)=1269 Ом

4 Нагрузочная прямая по переменному току.

Строится по двум точкам:

I_к=0

U_кэ=I_к⁰* Ri+ U_кэ⁰=5*10^-3*1269+15=21В

Рис.6

7. Построение сквозной характеристики I_к(U_бэ) и определение наибольшей величины U_вх _н, при которой охватывается вся переменная часть сквозной характеристики.

I_к, мА		1,5	3,3			10,5
U_бэ, В		0,025	0,05	0,75	0,125	0,15
I_б, мкА	0,45	0,64	0,65	0,66	0,69	0,7

Рис7.Сквозная характеристика транзистора КТ208Ж по нагрузочной прямой для переменного тока.

8.Определение динамических параметров усилительного каскада для двух величин амплитуды входного сигнала U_вх: U_{вх н}, и ½*U_вхн.

1. K_i=I_к/I_б -коэффициент усиления по току.

2. K_u=U_кэ/U_бэ -коэффициент усиления понапряжению.

3. K_p= K_i* K_u -коэффициент усиления по мощности.

Приращения U_бэ=U_вх=0,2В и соответствующее ему приращение I_б берутся на входной характеристике (с учетом обеих полуволн), а приращение I_к, U_кэ –по нагрузочной прямой для переменного тока на семействе выходных характеристик вблизи режима покоя транзистора.

Для U_вх _н=0,1В.

K_i=(8,5*10^-3-1,5*10^-3)/(0,12*10^-3-0,025*10^-3)=75,7

K_u=(19-12)/(0,68-0,64)=175

K_p=175*73,7=12897,5

Для ½*U_{вх н}.=0,05В

K_i=(7*10^-3-3,3*10^-3)/(0,1*10^-3-0,05*10^-3)=74

K_u=(16-13)/(0,67-0,65)=150

K_p=74*150=11100

9.Определение Кг – коэффициента нелинейных искажений или коэффициента гармоник.

Коэффициент гармоник называется отношение эффективного значения суммы высших гармоник выходного напряжения к эффективному значению его первой гармоники:

Кг=(U₂²+U₃²+U₄²+…)/U1, где U₁, U2,U3,U₄... – действующие значения отдельных гармоник выходного напряжения, этот коэффициент можно определить методом пяти ординат по сквозной характеристике, который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоники входного сигнала.

К_г(К_г2²+К_г3²), где К_г2-коэффициент второй гармоники, К_г3-коэффициент третьей гармоники, определяются графически.(Рис 7)

I_max=10,5мA

I₂=15,7мA

I₀=5мA

I₁=1мA

I_min=0,5мA

а= I_max- I₀=10,5*10^-3-5*10^-3=5,5мА

b= I₀- I_min=5*10^-3-0,5*10^-3=4,5мА

с= I₂- I₁=15,7*10^-3-1*10^-3=14,7мА

К_г₂=3(а-b)/4(a+c+b)=3+1/5,5+19,2=0.057

К_г₃=(a+b-2c)/2(a+b+c)=-0,029

К_г(0.057²+(-0,029)²) =0,064

Заключение

В результате выполнения данной работы я получил опыт разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов.

В ходе курсовой работы 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.

Список литературы

1. Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Методические указания к выполнению курсовой работы. Екатеринбург: УрКСИ, 1998.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. Б. Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1982.

3. Цыкина А.В. Электронные усилители. Учеб. пособие для техникумов связи, 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1982.