99346

Расчет каскад включенный по схеме с общим эмиттером

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В данной курсовой работе требуется рассчитать каскад включенный по схеме с ОЭ. Он выполнен на биполярном транзисторе ГТ-313Б – это германиевый эпитаксиально-планарный p-n-p транзистор. Предназначен для работы в усилительных энтегрально-гибридных микросхемах в блоках аппаратуры, обеспечивающих герметизацию. Оформление безкорпусное с гибкими выводами.

Русский

2016-09-10

162 KB

0 чел.

1.Введение.

Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причем тенденция развития такова, что для электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения. Они  представляют  собой  полупроводниковые  пластины  малой  толщины  на  которой  расположены  и  соединены  сотни элементов  электроники(транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы  и  др.).

В  развитии  электроники  на  протяжении  многих  лет  остаётся  стабильным  только  одно  -  это  непрерывное  изменение  элементной  и  схемотехнической  баз.

Типовые  микроузлы  позволяют  собрать  нужный  электронный  блок  без  детального  расчёта  отдельных  каскадов и  схем .

Данная  курсовая  работа как  раз  и  посвящена  расчёту  отдельной

схемы – каскада  с  общим  эмиттером.  

                                   2.Анализ задания.

В данной курсовой работе требуется рассчитать каскад включенный по схеме с ОЭ. Он выполнен на биполярном транзисторе ГТ-313Б – это германиевый эпитаксиально-планарный p-n-p транзистор. Предназначен для работы в усилительных энтегрально-гибридных микросхемах в блоках аппаратуры, обеспечивающих герметизацию. Оформление безкорпусное с гибкими выводами.

Входные и выходные характеристики представлены на рисунке 1.

     

                                         

                                                       рис.1

Максимально допустимые параметры:

Гарантируются при температуре окружающей среды Тс=-60…1250С

Постоянный ток коллектора, Iкmax.…………………………...………….….30мА

Постоянный ток базы,IБmax.………………………………………………...…5мА

Импульсный ток коллектора при tи10мкс, Q10, Iки.…………………….50мА

Постоянное напряжение эмиттер-база, UЭБ.………………………………...0.2В

Постоянное напряжение коллектор-база, UКБ.……………………………….15В

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при Rб10 кОм,UКЭR…...…...12В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Тс=+20°C, Pkmax…………………………………………………………………………100мВт

Данный каскад   включает в себя диод Д-223Б –  кремниевый, и эпитаксиальный. Предназначен для использования в различных схемах  радиоэлектронной и измерительной аппаратуры. Также могут использоваться в маломощных выпрямителях. Данный  диод  является  универсальным. Его

ВАХ  приведена  на  рисунке.

                                                    рис.2

Предельные эксплуатационные данные

 Интервал  рабочих  температур……………………………………-60…+1000С

 Постоянное  прямое  напряжение, при  Iпр=50мА………………………..….1В

 Постоянный обратный ток:

при Т=-60 и +250С…………………………………………………..……50 мА

при Т=+1250С.…………………………………………………………....20 мА

 Прямой ток Iпр макс:

при Т=+250С.……………………………………………………………..50 мА

при Т=+1000С.……………………………...………………………...…..20 мА

 

3.Математические модели компонентов.

Рассмотрим математические модели компонентов, которые будут встречаться в дальнейших расчетах. Это элементы R и С. Причем для одного и того же компонента может быть использовано несколько математических моделей. Математические модели пассивных двухполюсников  являются выражения закона Ома для них.

               R

    U1                    U2                       U=I·R,      I=G·U,        U=U1 – U2

              I         

                I=A*I0*(em*u/φ -1)    А=1,  m=1.-уравнение ВАХ

   

4.Расчет схемы по постоянному току.

Независимо от типов электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи. Этот режим работы называют режим по постоянному току. Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входимых в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменятся в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах.

Определить ток и падение напряжения нелинейной цепи можно аналитическим и графоаналитическим методами. Последний широко распространен в электронике в связи с тем, что позволяет проводить расчеты с помощью  экспериментально определенных характеристик электронного прибора.

При использовании графоаналитического метода строится линия нагрузки по постоянному току. Она представляет собой ВАХ той части обобщенной цепи, в состав которой не входит нелинейный, управляемый внешним сигналом активный прибор.

Для нашей схемы уравнение линии нагрузки представляет функцию Ik=f(Uкэ).

В соответствии со схемой и первым законами Кирхгофа получаем уравнения:

      В  схеме  присутствует  диод ,поэтому  необходимо  определиться  с  его  рабочей  точкой. Подберём такое напряжение  на  диоде , чтобы потенциал  коллектора  транзистора  был  равен  -2,5В(его рабочая точка)  Получили  Uvd=0,5В (подбор производился по ВАХ диода). Статическое сопротивление диода Rст=250 Ом.  Таким образом  сопротивление  всей  ветви Rк=1250 Ом.

 Линия нагрузки:

Ik=IRk+IRн;  Ik= IRk- IRн;  Uкэ=Uк+Uэ;  Uэ=Iэ*Rэ;  Iэ=Iк; Uк=Uкэ+Ik*Rэ;               

IRk=(Uk-E)/Rk;  Iн=-Uk/Rн

После преобразований получаем  уравнение  линии  нагрузки ,которая  наносится  на  семейство  выходных ВАХ  транзистора.

Iн=Uкэ*(Rk+Rн)/Rk*Rн-E/Rk; при подстановке  числовых  значений  получаем:

При Uкэ=0   Ik=4мА;   при  Ik=0   Uкэ=-4,3В

Рабочая  точка  транзистора :Uкэ=-2,5В ,  Ik=1.9мА

Ток  базы  Iб  в рабочей  точке  приблизительно  равен:  45 мкА – входной  ток  базы. По  входным  характеристикам  найдём  значение  напряжения  Uбэ=-0,15В      

Iэ=Ik+Iб=1,945 мА

Все  графические  действия  выполнены  на  рисунках   1  и   2.

5.Идентификация моделей компонентов.

Идентификация моделей компонентов проходит на представлении модели транзистора, как четырехполюсника. Наиболее употребляемые для биполярных транзисторов h – параметры. Схема биполярного транзистора как четырехполюсика представлена на рис. 3

I1                I2

     h11                                             h12

U1              U2

  h21                              h22    

                              Рис.3

Составим для этой схемы уравнения:

                            

В этих уравнениях  при U2=0, т.е. при коротком замыкании на выходе.

h11 – входное сопротивление транзистора, как четырехполюсника.

при I1=0, при холостом ходе на входе.

h12 – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению.

при U2=0 , при коротком замыкании на выходе.

h21 – коэффициент усиления тока транзистора как четырехполюсника.  

при I1=0, при холостом ходе на входе.

h22 – выходная проводимость транзистора как четырехполюсника.

Для схемы с ОЭ:

       

Параметр  при Uкэ=0 определяем на входных характеристиках.

h11=3,3 [кОм]

h12=Uвх/Uвых=0,06

h21= ΔIк/ΔIб=60

h22=ΔIк/ΔUкэ=0,000005 [1/кОм]  

Определим rб, rk, rэ, β, rk*

rэ, rк  сопротивление базо-эмиттерного, базо-коллекторного перехода

rб – сопротивление тела базы

rk*–  сопротивление коллекторного перехода. rk*= rк/(1+β)

α – коэффициент передачи тока. α<1

β=α/(1-α) – коэффициент усиления тока.

Сопротивление rэ определяется формулой

    , где

φt – температурный потенциал;     

Т – температура, К

Ток Iэ примем ≈IкА=1,945 [мА]

 rэ=(300/11600)/0.001945=13.3  [Ом]

      

       Сопротивление rб=h11 – (1+β)·rэ=1205 [Ом]

Сопротивление  rk*=1/h22=20[кОм]

6.Топологическое описание схемы.

Топология электрических схем – это способ соединения отдельных компонентов схем (конфигурации схем).

Топологическое описание схемы выполняется разными способами, например, графами. Граф – это совокупность отрезков произвольной длины и формы, называемых ветвями (ребрами) и точек пересечения ветвей – вершин.

Для составления графа воспользуемся эквивалентной схемой замещения транзистора.

                  

                                                                                

                                                                           

 

                   7.Математическая модель схемы.

Построение  математической  модели  схемы  будем  делать  по  методу  узловых  потенциалов, поэтому  из  схемы  исключены  все  емкости.

Тогда  анализ  проводится  только  для  статического  режима(по постоянному  току).

Из  данных  5-ти  узлов  потенциалы  3-х  уже  известны:

 φ0=0 В

 φ3=-5 В

 φ4=-Uвх

Матрица  смежности  для  этой  схемы  выглядит  следующим  образом:

                        Uвх   Е   Rк  Rн   rб   rэ   rk*   Ik0*   βIб 

                  0     -1     1   0    1    -1   0    0     0     0

                  1      0     0   0    0     1    1   -1   -1    -1

       А =     2      0     0   -1  -1    0    0    1     1     1

                  3      0    -1   1    0    0     0    0    0     0

                  4      1     0   0    0    -1    0    0    0     0

Единицы  в  данной  матрице  показывают  факт  подключения,  а  знак  указывает  на  направление  тока(втекает  или  вытекает).

Когда  неизвестны  всего  два  потенциала , то  проще  решить  систему двух  уравнений с  двумя  неизвестными,  чем  оперировать с  матрицами. Поэтому  перейдём  к  системе:  

 φ1(1/rб +1/rэ +1/rk* -β/rб)-φ2(1/rk*)=Uвх*(β-1)/rб Ik0*;

-φ1(1/rk* +β/rб )+φ2(1/Rн+1/Rк+1/rk*)=-E/Rk +Ik0* -β*Uвх/rб.

Данную  систему  просто  решить  вручную  или  использовать ППП MathCad, чьё  решение  и  приведено  ниже.  

Потенциал  φ2=-2,575 В  приблизительно равен потенциалу  Uk=-2.55 В , значит  расчёты  сделаны  верно.

                                         

             

       8.Моделирование  с  помощью  ППП  MicroCap 3.0                

Проверка  рабочей  точки  (DC):

                                            Рис.3 по DC

                                          Рис.4   уточнение   по  DC

Коэффициент  усиления, переменное  воздействие (Transient):

                                        

                                          Рис.5  Transient

Из  рисунка 5  видно, что  коэффициент  усиления   Кu=0.12/0.02=6

 

Определение  коэффициента  усиления  и  фазового  сдвига (АС):

 

Усиление  равно  13,7 dB.  Коэффициент Кu=5 , что  отлично  от   Кu при  переменном  воздействии   в  силу  погрешностей  и  загрублений.

Фазовый  сдвиг  равен  -1800 , что отражает факт инверсии  сигнала.

                                    9.Заключение.

В результате проделанной работы мы научились рассчитывать статические параметры электронных устройств, графоаналитическим методом и с помощью ЭВМ. Данная  работа  показывает  как сложен  в  идеале  расчёт  такого  простейшего  каскада , а  тем  более  других  сложных электронных  устройств. Существует  множество методов  составления  математической  модели схемы, которые  сильно  отличаются. В данной работе мы научились составлять математическую модель схемы методом узловых  потенциалов. Полученные  знания  всегда  помогут молодому инженеру.

10.Библиографический список.

  1.  Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 10-е изд., перераб., и допол. К.: Техника, 1984, 424с.
  2.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроения спец. ВУЗов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк. 1991. 662с.
  3.  Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/ К.М. Брежнева, Е.И. Гатман, Т.И. Давыдова и др., под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981 – 656с.
  4.  Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе./ Рязан. гос. радиотех. акад. : Сост. И.В. Баскакова, А.И. Перепелкин. Рязань. 1998г. 36с.

 

13


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46011. Виды и источники маркетинговой информации. Методы сбора информации 59 KB
  Основа работы специалиста-маркетолога – это умение собрать, проанализировать, систематизировать информацию о рынке, превратить ее в знание тенденции развития рынка, а затем в систему мероприятий, воздействующих на рынок.
46016. Регіональна сертифікація в Європейських країнах (ЄС) 1.4 MB
  Обов’язки європейських країн-учасниць були орієнтовані на втілення в життя «чотирьох свобод»: вільне переміщення людей, вільне переміщення товарів, вільне переміщення послуг, вільне переміщення капіталу, що вимагало дотримання низки умов.