электроника кр. Контрольная работа по Электротехнике и электронике. 6 семестр. Вар. 45

• Название: Контрольная работа по Электротехнике и электронике. 6 семестр. Вар. 45
• Анкор: электроника кр
• Дата: 17.12.2021
• Размер: 151.97 Kb.
• Имя файла: k_r_elektron_reshenie.docx
• Тип: Контрольная работа; #307371

Контрольная работа по Электротехнике и электронике.

6 семестр. Вар. 45.

Выполнил студент гр. ИТ-1051 Сомов А.С

Задача 1.
По заданным статическим вольтамперным характеристикам (ВАХ) биполярного транзистора
(рис. 1 и 2) и исходным данным, приведенным в таблице 1, для схемы включения маломощного кремниевого транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3) выполнить следующие графоаналитические расчеты:

Для режима усиления:

а) определить значения постоянных токов и напряжений в рабочей точке – тока базы I_б, напряжение база – эмиттер U_бэ, тока коллектора I_к, выходного напряжения U_кэ; определить мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора P_к и на резисторе P_Rк;

б) построить зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б и определить по ней, при каких значениях тока коллектора и тока базы транзистор входит в режим насыщения; отметить на построенном графике участки активного режима и режима насыщения; определить по графику коэффициент передачи тока базы h21э (или β);

в) построить на выходных ВАХ временные диаграммы синусоидальных составляющих токов и напряжений, соответствующих максимальной амплитуде переменной составляющей напряжения коллектор – эмиттер, еще не приводящей к заметным искажениям (и ограничению), и рассчитать коэффициенты усиления переменного сигнала по напряжению K_U , по мощности K_P, входное и выходное сопротивление R_вх и R_вых, полезную мощность в нагрузке P_R ;

Для ключевого режима:

г) определить остаточное напряжение на открытом транзисторе ост, выходной ток к. нас., сопротивление транзистора в состоянии "включено".

Таблица 1.

Iб, мкА	Eк, В	Rк, кОм
25	5	1,00

Решение.
Расчет по п. а):
Перечертим входные и выходные ВАХ в тетрадь (рис. 4, 5). На входной ВАХ, соответствующей активному режиму работы транзистора, отметим рабочую точку по заданному значению тока базы. Координаты рабочей точки U_бэ = 0.68 В, I_б = 25 мкА. Это и есть значения постоянного напряжения база – эмиттер и постоянного тока базы.

Перейдем к определению постоянного тока коллектора I_к и постоянного напряжения коллектор – эмиттер U_кэ. Для этого воспользуемся семейством выходных ВАХ. Прежде всего, заметим, что на исходном семействе ВАХ (сплошные линии) есть графики для значений тока базы I_б = 10, 20, 30, 40 мкА и т.д., но нет именно того графика, который нужен нам, т.е. для I_б = 25 мкА. Поэтому сначала построим нужную нам характеристику (штриховая линия) для I_б = 25 мкА.

Выходная цепь является замкнутым контуром из источника питания E_к, резистора R_к и участка коллектор – эмиттер транзистора. Поэтому, согласно закону II Кирхгофа (сумма ЭДС равна сумме падений напряжений), можно записать уравнение:

E_k = I_k ∙R_k + U_kэ или I_k = (E_k – U_kэ)/R_k.

Его называют нагрузочной линией и строят на выходных ВАХ по двум точкам: 1) точке пересечения с осью Х, когда I_к = 0, тогда U_кэ = Е_к и 2) точке пересечения с осью Y, когда Uкэ= 0 и
I_к = E_к/R_к = 5/1 = 5 мА. Рабочая точка находится на пересечении линии нагрузки и графика ВАХ для I_б = 25 мкА. Ее координаты I_к = 2.5 мА, U_кэ =2.5 В.
Вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора:

Р_к = I_к ∙ U_кэ = 2.5 мА ∙ 2.5 В = 6.25 мВт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе:

Р_к = I²_к ∙ R_к = (2.5 ∙ 10^-3)² ∙ 10³ = 6.25 мВт.
Расчет по п. б)
Для построения зависимости тока коллектора I_к от тока базы I_б воспользуемся уже имеющимся семейством выходных ВАХ с проведенной на нем нагрузочной линией (см. рис. 5). Очевидно, что, например, задав I_б = 10 мкА, нужно для определения тока коллектора I_к искать точку пересечения нагрузочной линии с ВАХ для I_б = 10 мкА. Находим соответствующее значение
I_к = 1 мА (см. рис. 5) в этой точке пересечения. Увеличивая ток базы I_б до 20, 30, 40 мкА и т.д., наблюдаем, как перемещается рабочая точка по нагрузочной линии, и записываем соответствующие значения тока коллектора I_к в таблицу 2.

Таблица 2.

Iб, мкА	0	10	20	30	40	50	60	70
Iк, мА		1	2	3	4	5	6	7

рабочая

точка


По полученной таблице строим график (рис. 6). По графику видим, что при изменении тока базы от 0 до примерно 45 мкА имеет место практически прямо пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы, т.е. транзистор находится в активном режиме. Коэффициент передачи тока для этого режима одинаков в любой точке.



Начиная со значения тока базы 45 мкА, ток коллектора достигает величины 4.5 мА и перестает возрастать, несмотря на продолжающийся рост тока базы. Так как рабочая точка
(см. рис.5) при I_б > 45 мкА попадает на участок семейства выходных ВАХ, где графики для различных токов базы практически сливаются в одну линию – эта линия соответствует режиму насыщения на семействе выходных ВАХ.

Расчет по п. в)
Для построения временных диаграмм тока I_к и напряжения U_кэ на семействе выходных ВАХ (рис. 5) сначала находим, в каких пределах может меняться ток коллектора I_к при условии, что транзистор не входит ни в режим насыщения, ни в режим отсечки. Исходное значение тока коллектора I_к в рабочей точке равно 2.5 мА. Отметим эту точку на рис. 6, там же определим точку, которая находится на границе активного режима и режима насыщения. В нашем случае это точка с координатами I_{к max} = 4.5 мА, I_{б max} = 45 мкА (см. штрихованную линию на рис. 5).

Следовательно, если переменная составляющая тока коллектора должна иметь синусоидальную форму, то приращение тока коллектора относительно его значения в рабочей точке должно составлять не более 4.5 – 2.5 = 2 мА. Так как положительная и отрицательная полуволны синусоиды должны иметь одинаковую амплитуду, то минимальное значение тока коллектора I_{к min} должно быть равно 2.5 – 2 = 0.5 мА, при этом I_{б min} = 5 мкА.

По значениям I_{к max} и I_{к min} находим на графике (рис. 5) соответствующие значения
U_{кэ min,} U_{кэ max} и изображаем временные диаграммы тока коллектора и напряжения коллектор – эмиттер. Отмечаем, что уменьшению тока I_к соответствует увеличение напряжения U_{кэ .}

Откладываем значения I_{б min} и I_{б min} на входной ВАХ (см. рис. 4), строим временные диаграммы тока базы и напряжения база – эмиттер (синусоидальные кривые в границах
I_{б min} – I_{б max} и U_{бэ min} – U_{бэ max}). Отметим, что фазы I_б, I_к и U_бэ – совпадают, а фазы U_бэ и U_кэ сдвинуты на 180^o. Периоды всех колебаний должны быть одинаковыми. Определим амплитуды переменных сигналов.

Амплитуда входного напряжения:
U_{m бэ} = (U_{бэ max} – U_{бэ min})/2 = (0.7 – 0.65)/2 = 0.025 В.

Амплитуда входного тока:
I_{m б} = (I_{б max} - I_{б min})/2 = (45 – 5)/2 = 20 мкА.

Амплитуда выходного напряжения:
U_{m кэ} = (U_{кэ max} – U_{кэ min})/2 = (4.5 – 0.5)/2 = 2 В.

Амплитуда выходного тока:
I_{m к} = (I_{к max} – I_{к min})/2 = (4.5 – 0.5)/2 = 2 мА.

Рассчитаем коэффициенты усиления переменного сигнала:
По напряжению: K_U = U_{m кэ} / U_{m бэ} = 2/0.025 = 80.
По току: K_I = I_{m к}/ I_{m б} = 2 ∙10^-3/20 ∙10^-6 = 100.
По мощности: K_P = K_U ∙ K_I = 80 ∙ 100 = 8000.
Входное сопротивление: R_вх = U_{m бэ} / I_{m б} = 0.025/20∙ 10 = 1.25 кОм.
Выходное сопротивление: R_вых = U_{m кэ} / I_{m к} =2/2 ∙ 10^-3 = 1 кОм.
Полезная мощность в нагрузке: P_R = I ²_{m к} ∙ R_к /2 = (2 ∙ 10^-3)² ∙ 1 ∙ 10³ / 2 = 2 мВт.

Отметим, что полученные значения очень неточны, т.к. величины U_{бэ max} и U_{бэ min} довольно близки друг к другу, вследствие чего на их значения сильно влияют погрешности построений.
Расчет по п. 2. г)
Ключевой режим работы транзистора можно проанализировать с помощью ВАХ (рис.5). Однако рабочая точка на выходных ВАХ будет находиться либо в режиме отсечки (транзистор выключен), либо в режиме насыщения (транзистор включен) – точка О^′ (точка пересечения линии нагрузки и линии насыщения). Ее координаты I_{к нас} и U_ост находятся непосредственно по выходным ВАХ.

I_{к нас} = 4.5 мА; U_ост = 0.3 В.

Сопротивление транзистора в состоянии "включено"



Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в состоянии "включено"

Р_{к вкл} = 4.5 ∙ 10^-3 ∙ 0.4 = 1.8 мВт.

Ток базы, необходимый для включения транзистора I_{б вкл min} =45 мкА. Для получения малого времени включения транзистора рекомендуется подавать входной ток в несколько раз больший, чем требуется для начала режима насыщения:

I_{б вкл} = К_нас ∙ I_{б вкл min},

где К_нас – коэффициент насыщения, К_нас = 3 ÷ 5 при К_нас = 4,

I_{б вкл} = 4 ∙ 45 = 180 мкА.

Мощность необходимая для отпирания ключа

Р_вх = I_{б вкл} ∙ U_{бэ вкл} ,

где U_{бэ вкл} находят по выходной ВАХ, снятой при U_к = 0 (т.е. для режима насыщения). Согласно рис. 1, U_{бэ вкл} = 0.5 В.

Р_вх = 180 ∙ 10^-6 ∙ 0.5 = 0.09 мВт.

Расчет по п. 2. г)
Ключевой режим работы транзистора можно проанализировать с помощью ВАХ (рис.5). Однако рабочая точка на выходных ВАХ будет находиться либо в режиме отсечки (транзистор выключен), либо в режиме насыщения (транзистор включен) – точка О^′ (точка пересечения линии нагрузки и линии насыщения). Ее координаты I_{к нас} и U_ост находятся непосредственно по выходным ВАХ.

I_{к нас} = 4.5 мА; U_ост = 0.3 В.

Сопротивление транзистора в состоянии "включено"



Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в состоянии "включено"

Р_{к вкл} = 4.5 ∙ 10^-3 ∙ 0.4 = 1.8 мВт.

Ток базы, необходимый для включения транзистора I_{б вкл min} =45 мкА. Для получения малого времени включения транзистора рекомендуется подавать входной ток в несколько раз больший, чем требуется для начала режима насыщения:

I_{б вкл} = К_нас ∙ I_{б вкл min},

где К_нас – коэффициент насыщения, К_нас = 3 ÷ 5 при К_нас = 4,

I_{б вкл} = 4 ∙ 45 = 180 мкА.

Мощность необходимая для отпирания ключа

Р_вх = I_{б вкл} ∙ U_{бэ вкл} ,

где U_{бэ вкл} находят по выходной ВАХ, снятой при U_к = 0 (т.е. для режима насыщения). Согласно рис. 1, U_{бэ вкл} = 0.5 В.

Р_вх = 180 ∙ 10^-6 ∙ 0.5 = 0.09 мВт.

Задача 2.
Дано:

1. 
   Схема включения идеального операционного усилителя (ОУ) ( рис. 7).
   
2. 
   Значения и фазы входных сигналов (табл. 3).
   

Таблица 3.

Напряжение входного сигнала.		Фаза входного сигнала
U1	U2		U1	U2
5	10		-	+

1. 
   Для заданной схемы изобразить временные диаграммы входных сигналов, взятых из таблицы 3.
   
2. 
   Показать выходной сигнал от каждого входного с учетом соотношения фаз, отдельно выделив результирующий выходной сигнал.
   

Масштаб выбрать условный без учета коэффициента усилителя (ОУ).

Решение.
Заданная схема включения ОУ показана на рис. 7. В этой схеме сигналы U₁ и U₂ подаются на инвертирующий вход. Это означает, что фазы выходных сигналов от воздействия U₁ и U₂ будут им противоположны. Будем считать, что коэффициенты усиления ОУ по каждому из входов одинаковы.

На рис. 8 изображены временные диаграммы входных и выходных сигналов. В условном масштабе при равном коэффициенте усиления по каждому из входов соотношение амплитуд выходных сигналов сохраняется. Результирующий выходной сигнал представляет сумму выходных сигналов от воздействия каждого входного с учетом фазовых соотношений. В данном случае он совпал с откликом на сигнал U₂ .



Задача 3.

1. 
   Нарисовать логическую схему на 2 входа, реализующую логическую функцию И – НЕ на КНДП ключах.
   
2. 
   Пояснить, как работает схема при заданной в таблице 4 комбинации входных сигналов.
   

Таблица 4.

Логическая функция		И – НЕ
Входной сигнал	X1	1
	X2	1

Решение.

1. Логическая схема на 2 входа, реализующая логическую функцию И – НЕ на КНДП ключах изображена на рисунке 9.



2. По условию задачи на оба входа подается сигнал логической единицы, следовательно транзисторы VT₃ и VT₄ открыты, а транзисторы VT₁ и VT₂ закрыты. Выходное напряжение стремится к потенциалу земли (логический нуль). Заметим, что элемент И – НЕ является комбинацией элементов И и НЕ, значит выход элемента И – НЕ является отрицанием выхода элемента И. Подача 1 на оба входа дает на выходе 0. Ниже приведена таблица истинности для двухвходового элемента И – НЕ (табл. 5).

Таблица 5.

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0