НОМИНАЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

ЗАДАНИЕ ДЛЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

по дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА

 

1. Для усилительного транзисторного каскада (рис. 1):

1.1. Выбрать транзистор по приложению 1, определить напряжение источника питания U_п , рассчитать сопротивление резисторов и выбрать их номиналы по приложению 2.

1.2. Определить h-параметры, h_11э, h_21э в рабочей точке транзисторного каскада, его входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых.

1.3. Найти амплитуды напряжения и тока базыU_бт I_бт, коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности K_I , K_V ,K_P и амплитуду напряжения источника сигнала

1.4. Рассчитать емкости конденсаторов, выбрать их номинал по приложениям 2, 3.

2. Задана схема на операционном усилителе, необходимо:

2.1. Рассчитать сопротивления резисторов и емкости конденсаторов, выбрать их номиналы по приложениям 2, 3.

2.2. Выбрать операционный усилитель (ОУ).

2.3. Определить максимальные амплитуды источников сигнала.

3. Для логической функции необходимо:

3.1. Упростить функцию, пользуясь алгеброй логики.

3.2. Составить таблицу истинности.

3.3. Разработать функциональную электрическую схему на базовых элементах (И,ИЛИ, НЕ).

 

 

Выберите исходные данные для всех пунктов задания по трем последним цифрам вашего шифра.

По последней цифре:

Таблица 1.

Последняя цифра шифра		1
К пункту 1 задания	Сопротивление нагрузки Rн , Ом
Амплитуда напряжения в нагрузке Uн m , В	0,5		1,5		2,5	2,25	1,75	1,25	0,75	1,0
К пункту 2 задания	Схема на ОУ, рисунок	4а	4б	4в	4г	4д	4а	4б	4в	4г	4д
Коэффициент усиления по напряжению для источника сигнала Ku2	-	-		-	-	-	-		-	-
Нижняя граничная частота Fн , Гц	-	-	-			-	-	-
Внутреннее сопротивление источника сигнала RG2, кОм	-	-		-	-	-	-		-	-
К пункту 3 задания	Логическая функция F*	_ X ((Y+ZX) + A1)A2	_ (XZ+Y)+A1 + A2	_ _ X(Y+XYZ) + A1A2	X(YZ+X) (A1 + A2)	_ XY(Z+X)+A1 + A2	_ _ _XY(Z+X)+A1 + A2	_ _ _ X (Y+Z+X)+A1A2	_ XYZ+ZXY+A1 +A2	_ XY(Z+XY)+A1 + A2	_ X (YZ + XY)A1 + A2

 

По предпоследней цифре:

Таблица 2

Предпоследняя цифра
К пункту 1 задания	Внутреннее сопротивление источника сигнала RG , Ом
К пункту 2 задания	Внутреннее сопротивление источника сигнала RG1, кОм

 

 

Предпоследняя цифра
К пункту 3 задания	Логическая функция А1	_ _ _ XYZ	_ XYZ	___ XYZ	_ _ XYZ	_ _ XYZ	___ XYZ	_ _ _ XYZ	_ XYZ	_ XYZ	XYZ

 

По оставшейся цифре:

Таблица 3

Оставшаяся цифра
К пункту 1 задания	Нижняя граничная частота Fн , Гц
К пункту 2 задания	Коэффициент усиления по напряжению для источника сигнала Ku1
К пункту 3 задания	Логическая функция A2	_ XY(ZX+ ZY)	___ _ XY(XZ+ Z)	_ XY(XY+ X)	_ Y(Z + ZX)	_ ZY(XZ+ X)	_ X(XYZ+ ZY)	_ _ Z( XYZ+ ZY)	_ (XY + ZX)ZY	___ (ZY+ ZX)YZ	XY

 

 

Прочие данные:

Таблица 4

 

Допустимые частотные искажения на граничной частоте Mн	1,41
К пункту задания 2	Динамический диапазон выходного напряжения D, дБ
Максимальная температура окружающей среды Tm , 0C

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ

К пункту 1.1

Вычертить принципиальную электрическую схему транзисторного усилительного каскада (рис. 1).

 

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема транзисторного усилительного каскада

 

Рассчитать сопротивление резистора коллекторной цепи транзистора:

где К_R — коэффициент соотношения сопротивлений R_н и R_к

K_R = 1.2 ÷ 1.5 при R_н 1кОм

K_R = 1.5 ÷ 5.0 при R_н > 1кОм

Номинал резистора R_к выбирается по приложению 2. Определить эквивалентное сопротивление нагрузки каскада

Найти амплитуду коллекторного тока транзистора:

Определить ток покоя (ток в рабочей точке) транзистора

 

где k_з - коэффициент запаса.

k_з=0,7÷0,95

k_з=0,7— максимальные нелинейные искажения,

k_з=0,95 — максимальный КПД.

Рассчитать минимальное напряжение коллектор - эмиттер в рабочей точке транзистора:

U_{кэп min} = U_нm + U₀

где U₀ — напряжение коллектор-эмиттер, соответствующее началу прямолинейного участка выходных характе­ристик транзистора, В ;

U₀=1В— для транзисторов малой мощности (Р_к 150мВт);

U₀=2В — для транзисторов большой и средней мощности (Р_к > 150 мВт).

Если U_{кэп min}меньше типового значения U_кэп=5В, то выбрать U_кэп=5В, противном случае,

U_кэп= U_{кэ min}

Рассчитать напряжение источника питания

,

значение расчетного напряжения U_п округлить до ближайшего целого числа.

Определить и выбрать номинал сопротивления резистора эмиттерной цепи транзистора:

Выбрать транзистор из приложения 1 по параметрам:

а) максимально допустимое напряжение коллектор –эмиттер

б) максимальный допустимый средний ток коллектора

I _{к доп} > I _кп

в) максимальная мощность рассеивания на коллекторе Р _{к max} при наибольшей температуре окружающей среды Т_m находится по формуле:

где Р_{к доп}— максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе при температуре окружающей среды Т₀, Вт

Т_{п max} — максимальная температура перехода, ^оС;

T₀ — температура окружающей среды, при которой нормируется Р_{к доп}, 25°С;

Р _{к доп}, Р_{к доп,} Т_{п max} — справочные величины.

Вычертить входные и выходные характеристики выбранного транзистора.

На выходных характеристиках транзистора построить нагрузочную прямую постоянного тока по точкам А, В с координатами (рис. 2б)

точка А U_кэ = 0,

точка В U_кэ = U_п,

На пересечение нагрузочной прямой и прямой I_к = I_кп нанести рабочую точку С. Уточнить напряжение U_кэ врабочей точке (U_кэп=U_кэ в точке С).

Рис. 2а Входные и выходные характеристика транзистора (к пункту 1)

 

Определить ток базы I_бп транзистора в точке С (рабочей точке).

Рис. 2б

 

На входную характеристику (рис. 2а) нанести рабочую точку С — пересе-чение входной характеристики (при U_кзп) и прямой I_б = I_бп- Определить U_бэп

Выбрать ток, протекающий через базовый делитель:

I_д = (5 ÷ 10) I_бп

Рассчитать сопротивления и выбрать номиналы резисторов базового делителя R_б1 , R_б2

;

Найти эквивалентное сопротивление базового делителя:

К пункту 1.2

Определить по входным характеристикам транзистора входное сопротивление транзистора h_11э рабочей точке; задать приращение U_бэ около рабочей точки С, найти соответствующее ему приращение базового тока I_б . Вычислить h_11э:

По выходным характеристикам транзистора определить коэффициент передачи тока транзистора h_21э. Найти приращение коллекторного тока и соответствующее ему приращение базового тока при пересечении прямой U_кэп = U_кэсоседних от рабочей точки С выходных характеристик (точки Д, Е рис 2б):

Определить входное сопротивление каскада:

Найти выходное сопротивление каскада:

R_вых R_к

К пункту 1.3

Построить на выходных характеристиках транзистора нагрузочную прямую по переменному току, которая проходит через рабочую точку С и имеет наклон (рис. 2 б):

Нанести на выходные характеристики транзистора амплитуды коллекторного тока I_кm и напряжения U_нm (рис. 2б), определить амплитуду базового тока . На входных характеристиках (рис. 2а) показать амплитуды базового тока и входного напряжения транзистора . Определить коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности K_I , K_U , K_P

; ; K_P=K_IK_U

Рассчитать амплитуду напряжения источника сигнала:

К пункту 1.4

Частотные искажения в области нижних частот вносятся разделительными конденсаторами С_р1, С_Р2 и блокировочным конденсатором С_б1 . Рекомендуется частотные искажения в области нижних частот равномерно распределить между конденсаторами С_p1 С_Р2, С_б1:

Рассчитать емкость конденсатора:

;

выбрать номинал емкости конденсатора С_Р1из приложения 2 (при емкости менее 10 мкФ) или приложения 3 (при емкости 10 мкФ и более).

Определить емкость конденсатора С_Р2 и выбрать ее номинал:

Рассчитать емкость блокировочного конденсатора C_б1 и выбрать ее номинал:

 

Пример к пункту 1

Исходные данные:

R_н = 270 Ом; U_нm = 2B; R_G = 550 Ом; F_н = 20 Гц; М_н = Мв =1,41.

Рассчитаем сопротивление резистора в цепи коллектора транзистора:

R_к = ( 1 + K_R ) R_н = ( 1 + 1,2 ) 270 = 594 Ом

Выберем номинал сопротивления резистора R_K 620 Ом. Определим эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

Найдем амплитуду коллекторного тока

Рассчитаем ток покоя транзистора:

Определим минимальное напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке транзистора:

U_{кэп min} = U_нm + U₀ = 2 + 1 = 3В

т. к. U_{кэп min} меньше типового значения U_кэп = 5В, принимаем U_кэп = 5В.

Рассчитаем напряжение источника питания:

Выбираем напряжение питания U_п = 20 В

Определяем сопротивление транзистора

номинал резистора R_э 390 Ом.

Выбираем транзистор КТ315Г:

I _{к доп} =100 мА > I _кп = 15 мА

Вычертим выходные и входные характеристики транзистора КТ315Г (рис. 3).

 

На выходных характеристиках транзистора КТ315Г построим нагрузочную прямую постоянного тока по точкам А, В,

точка А U_кэ = 0,

точка В U_кэ = U_п,

Нанесем рабочую точку С на нагрузочную прямую с координатой I_к = I_кп = 1510^-3 А, уточним напряжение U_кэ в точке покои

U_кэп=5 В.

Рассчитаем мощность в точке покоя транзистора:

P_кп = I_кп U_кэп = 15^.10^-3.5 = 75 ^. 10^-3 Вт

Определим наибольшую мощность рассеивания транзистора при максимальной рабочей температуре:

Р_кп<Р_{к max}, следовательно, транзистор КТ315Г выбран правильно.

 

 

Находим координаты рабочей точки С на входной характеристике транзистора I_бп = 0,2 мА, U_бэп = 0,53 В

Определим ток базового делителяR_б1, R_б2.

I_д = (5 ÷ 10) I_бп = 5 * 0,2 * 10 ^-3 = 1 * 10^-3 А

Рассчитаем сопротивление резистора базового делителя:

;

номинал сопротивления резистора R_б26,2 кОм.

Определим сопротивление резистора базового делителя:

номинал резистора R_б1 13 кОм.

Найдем эквивалентное сопротивление базового делителя:

По выходным характеристикам транзистора (рис. 2б) определим h_21э в рабочей точке транзистора:

По входным характеристикам (рис. 2а) найдем h₁₁ в рабочей точке:

Найдем входное сопротивление каскада:

Рассчитаем выходное сопротивление каскада:

R_вых R_к=620 Ом.

Построим на выходных характеристиках транзистора нагрузочную прямую по переменному току, проходящую через рабочую точку С и имеющую наклон:

A/B

Находим амплитуду тока базы по выходным характеристикам:

А

Определим по входным характеристикам амплитуду входного напряжения транзистора:

. В

Определим коэффициент усиления каскада по току:

;

Найдем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Рассчитаем коэффициент усиления по мощности:

K_P=K_IK_U = 18,2 * 73,8 = 1349

. Определим амплитуду напряжения источника сигнала:

В

Распределим частотные искажения в области нижних частот, вносимые емкостями конденсаторов С_p1 С_Р2, С_б1, равномерно между ними:

Рассчитаем емкость разделительного конденсатора:

Ф;

выбираем номинал электролитического конденсатора C_P1 20 мкФ.

Определим емкость разделительного конденсатора:

Ф;

выбираем номинал емкость электролитического конденсатора С_Р2 20мкФ.

Найдем емкость блокировочного конденсатора:

Ф,

выбираем емкость электролитического конденсатора C_б1 100 мкФ.

К пункту 2.1

Вычертить заданную принципиальную электрическую схему

Расчет значений величин элементов схемы производить в порядке, приведенном в таблице 5, для усилителей переменного и постоянного тока (рис. 4,а, 4, б, 4, г, 4, д) или в таблице 6, для сумматора (рис. 4,в). После расчета каждого значения величины следует выбирать номинал по приложениям 2, 3. Номиналы сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов (до 10 мкФ) выбирают из приложения 2. Если емкость конденсатора выше 10 мкФ применять электролитические конденсаторы, номиналы которых указаны в приложении 3.

 

Сопротивления резисторов на входе ОУ выбираются в 5—10 раз выше сопротивления источника сигнала, чтобы избежать значительного шунтирования источника.

Для компенсации смещения нулевого напряжения на выходе ОУ вызванное входными токами ОУ, общие сопротивления резисторов, подключенных к различным дифференциальным входам, равны (R₁=R₂; рис. 4,а; 4,6; 4,г; 4,д; Rз = R1 || R₂; рис. 4,в).

К пункту 2.2.

Выбирать ОУ по приложению 4 следует исходя из коэффициента усиления по напряжению Kuoy>>Ku1+ Ku2(для схем рис. 4 а, б, г, д; Кu2 = 0) и сопротивления источника сигнала:

R_G <10 кОм 140 УД 7, 140 УД6

10 кОм < R_G < 75 кОм 140 УД6, 140 УД14

75 кОм < R_G 600 кОм 140 УД14, 140 УД8, КР544 УД1

600 кОм < R_G 140 УД8, КР544 УД1.

Необходимо проверить выбранный ОУ.

Операционный усилитель должен обеспечить требуемый динамический диапазон выходных напряжений

где D — динамический диапазон, дБ;

— максимальное выходное напряжение, В;

— минимальное выходное напряжение, В.

Минимальное выходное напряжение ОУ ограничено напряжением смещения нуля, вызванное разностью входных токов внутренним смещением ОУ и их тепловыми дрейфами.

Порядок проверки ОУ по напряжению смещения нуля приведен в таблице 7.

В формулах таблицы 7 использованы обозначения:

i_вх — разность входных токов ОУ, А;

—тепловой дрейф разности входных токов, А / ⁰С;

Т_т — наибольшая температура окружающей среды, ⁰С;

То — температура, при которой измеряются параметры ОУ, 25°С;

U_{вых max оу} — максимальное выходное напряжение ОУ при номинальном питании, В;

D— динамический диапазон выходного напряжения, дБ;

U_смв — внутреннее смещение на входе ОУ, В;

— тепловой дрейф внутреннего смещения на входе ОУ, В/°С.

Если U_{см доп} U_см , то ОУ выбран правильно. В противном случае, необходимо выбрать другой ОУ из приложения 4 и выполнить вновь пункт 2.2 задания. Напряжение питания схемы типовое для ОУ.

К пункту 2.3.

 

Максимальная амплитуда входного сигнала для усилите­лей постоянного и переменного токов (рис 4,а; 4,б; 4,г; 4,д):

В суммирующем усилителе (рис. 4,в) предполагается одинаковое влияние входных напряжений па выходное:

;

 

нвертирующиий усилитель переменного тока (рис 4, д)	R1 = (5÷10) RG1	R2 = R1	R3 = (Ku1 -1) R1
Инвертирующиий усилитель переменного тока (рис 4, д)	R1 = (5÷10) RG1	R2 = R1	R3 = Ku1 R1
Неинвертирующиий усилитель постоянного тока (рис 4, д)	R1 = (5÷10) RG1	R2 = R1	R3 = Ku1 R1	-
Инвертирующиий усилитель постоянного тока (рис 4, д)	R1 = (5÷10) RG1	R2 = R1	R3 = (Ku1 -1) R1	-
Расчётные велечины	Сопротивление резистора R1	Сопротивление резистора R2	Сопротивление резистора цепи обратной связи R3	Ёмкость разделительного конденсатора С1
№ п/п

 

 

№ п/п	Расчётная величина	Ku1RG1 Ku2RG2	Ku1RG1 < Ku2RG2
1	Сопротивление резистора R1	R1 = (5÷10)RG1	R1 = (5÷10)RG2 Ku2 / Ku1
2	Сопротивление резистора R2
3	Сопротивление резистора R3
4	Сопротивление резистора цепи обратной связи R1

 

 

№ п/п	Расчётная величина	Схема
Рис 4, а	Рис 4, б	Рис 4, в	Рис 4, г	Рис 4, д
1	Сопротивление по постоянному току подключенное между входом ОУ и нулевой точкой Rвхо	Rвхо = R2	Rвхо = R2	Rвхо = R2	Rвхо = R2	Rвхо = R2
2	Допустимое напряжение смещения приведенное к входу ОУ Uсм доп
3	Напряжение смещения ОУ вызванное разностью входных токов и её тепловым дрейфом Uсм I
4	Напряжение смещения, вызванное внутренним смещением ОУ и его тепловым дрейфом Uсм U
5	Суммарное напряжение смещения, приложенное между входами ОУ Uсм

 

Если U_{см доп} U_см , то ОУ выбран верно.

 

Пример к пункту 2

Требуется рассчитать схему сумматора (рис. 4,в), исходные данные:

R_G1 = 12 кОм, R_G2 = 47 кОм, K_U1 = 25, K_U2 = 12, D = 30 дБ.

Определяем произведение сопротивления источника сигнала на коэффициент усиления:

R_G1. K_U1 = l2 * 10³ * 25 = 3*10⁵ Ом,

R_G2. K_U2 = 47 *10³ * 12 = 5,64*10⁵ Ом,

так как R_G1. K_U1 < R_G2. K_U2 , рассчитываем сопротивление входного резистора R₁по формуле:

R₁ = (5÷10) R_G2 K_u2 / K_u1 = 5*47*10³ * 12 /25 = 113*10³ Ом,

Выбираем по приложению 2 номинал резистора R₁— 110 кОм. Находим сопротивление резистора:

Выбираем номинал резистора R₂ — 220 кОм.

Рассчитываем сопротивление резистора Rз, из условия одинаковых сопротивлений постоянному току во входных цепях ОУ:

Выбираем номинал резистора R₃ — 75 кОм.

Определяем сопротивление цепи обратной связи:

Выбираем номинал резистора R₄ — 2,7МОм.

Так как сопротивление источника сигнала R_G = 47 кОм (R_G2 > R_G1 ) и коэффициент усиления K_U = K_U1 + K_U2 = 37, выберем ОУ К140УД6 из приложения 4. К140УД6 имеет следующие параметры.

Коэффициент усиления по напряжению K_{U ОУ} = 7010³. Разность входных токов ОУ i_вх =1010⁹ А; внутреннее напряжение смещения U_CMB = 510³ В; тепловой дрейф разности входных токов А/°С; тепловой дрейф внутреннего напряжения смещения В/°С; максимальное напряжение на выходе ОУ U_{вых max oy} = 11 В; типовое напряжение питания U_п = ±15B.

Принимаем напряжение питания ОУ сумматора U_п1 = + 15 В, U_п2 = -15В и проверяем правильность выбора ОУ.

Рассчитаем допустимое напряжение смещения ОУ:

Найдем напряжение смещения ОУ от разности входных токов:

Определим напряжение смещения ОУ, вызванное внутренним смещением ОУ:

Суммарное напряжение смещения:

,

что меньше U_{см доп}, следовательно, ОУ К 140 УД6 обеспечи­вает заданный динамический диапазон выходного напряже­ния во всем интервале рабочих температур.

ОУ К 140 УД6 выбран правильно.

Определим максимальную амплитуду источника сигнала:

Найдем максимальную амплитуду источника сигнала:

К пункту 3.1

Упрощают заданную логическую функцию, пользуясь правилами и законами алгебры логики:

а) Инверсия

если X = 0 то = 1,

если Х = 1, то = 0.

б) Логическое сложение (дизъюнкция)

X + 0 = X

X + 1 = 1

X + X = X

X + = 1

0 + 0 = 0

1 + 0 = 1

1 + 1 = 1

в) Логическое умножение (конъюнкция)

00 = 0

01 = 0

11 = 1

X0 = 0

X1 = X

X = 0

г) Переместительный закон

Х + У = У + Х, ХУ = УХ.

д) Сочетательный закон

(Х+У)+Z=Х+(У+Z), (ХУ)Z=Х(УZ).

е) Распределительный закон

Х*(У+Z)=ХУ+ХZ.

ж) Правило склеивания

Х(Х+У)=Х; Х+ХУ—Х.

з) Правило двойного отрицания

Теорема де Моргана:

 

К пункту 3.2

Таблица истинности логической функции F составляется из всех комбинаций логических переменных (Х, У, Z,. ..), входящих в функцию и соответствующих этим комбинациям значений логической функции F.

К пункту 3.3

Вычертить функциональную электрическую схему, реализующую логическую функцию F, используя базовые элементы: (И, ИЛИ, НЕ), Условные графические обозначения базовых элементов даны в приложении 5.

Пример к пункту 3

Задана логическая функция:

F = XYZ + X + YZ.

Упростим данную функцию, пользуясь законами алгебры логики.

F = ХУ (Z+ ) + ХУZ + УZ = ХУ + УZ (Х+ ) = XY+YZ = Y(X+Z)

Составим таблицу истинности.

X У Z F

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 1 0

1 1 0 1

1 1 1 1

 

На рис. 5 функциональная электрическая схема реализующая функцию F = У (Х + Z)

 

Приложения

Приложение 1

Параметры и характеристики некоторых широко применяемых транзисторов

 

Таблица 8

Транзистор   Параметр	КТ315Б	КТ315Г	КТ375А	КТ375Б	КТ3102А	КТ3102Б
Предельно допустимое коллектор –эмиттер Uк доп , В
Максимальный постоянный ток кол­лектора Iк доп ,мА
Допустимая мощность рассеивания на коллектор Рк доп , мВт
Статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ	50—350	50—360	10-100	50-140	100-250	200-600
Максимальная температура перехода Тп max ,0С
Входная характерис­тика рис. 6	а	а	в	в	д	д
Выходная характерис­тика рис. 6	б	б	г	г	е	е

 

 

 

 

Приложение 2

НОМИНАЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

И ЕМКОСТЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ

(НЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ)

 

Номинальное сопротивление резистора выбирается по расчетному из номиналов ряда Е24:

R = K 10ⁿ Ом

где K — множитель ряда Е24 (см. табл. 9);

п — степенной множитель.

 

Таблица 9

1.0	1.5	2.2	3.3	4.7	6.8
1.1	1.6	2.4	3.6	5.1	7.5
1.2	1.8	2.7	3.9	5.6	8.2
1.3	2.0	3.0	4.3	6.2	9.1

 

 

 

Приложение З

НОМИНАЛЫ ЕМКОСТЕЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ K50-6, К50-16

 

Номиналы электролитических конденсаторов К50-6, К50-16 и их рабочие напряжения в таблице 10.

 

Рабочее напряжение, В	Номинальная ёмкость, мкФ	Рабочее напряжение, В	Номинальная ёмкость, мкФ
6,3		16; 25
16; 25		100; 160