Контрольная работа Вариант 581. Схемотехника вариант 581. Курсовая работа 1
 Скачать 1.22 Mb.
|
|
Курсовая работа №1 вариант 581 Проектное задание представляет собой технические условия, по которым надлежит спроектировать многокаскадный усилитель на транзисторах. 1. Данные для проектирования: Параметры транзистора предварительного каскада заданы в таблице 1, параметры транзисторов последующих каскадов заданы в таблице 2, параметры источника сигнала заданы в таблице 3. Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
- сопротивление внешней нагрузки R2Н=1,2кОм; - напряжение источника питания Е0=10В; - рабочий диапазон частот fн√2=20 кГц, fв√2=2 МГц; - конденсаторы С1-С6=1мкФ; - ток источника сигнала I1=1мкА; - емкость внешней нагрузки С7=5пФ. 2. Описание принципиальной схемы многокаскадного усилителя. Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке 1. Источником сигнала является ток фотодиода V1. Если свет на фотодиод не падает, диод V1 закрыт и его внутреннее сопротивление велико. Вследствие этого источником сигнала является генератор тока. Элементы С1, R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е0). В качестве активного элемента первого каскада выбран полевой транзистор, так как он обладает меньшим уровнем собственных шумов. Входная цепь устройства образована входной суммарной емкостью, состоящей из проходной емкости Сд фотодиода V1, входной емкости Свх транзистора V2 и емкости монтажа См, а также входным сопротивлением каскада V2. Хотя входное сопротивление транзистора V2 rзи велико, входное сопротивление каскада определяется делителем напряжения на его затворе (параллельным соединением резисторов R3 и R4). Данная входная цепь и будет определять частоту верхнего среза fв√2  . Биполярный транзистор V3, включенный по схеме общий коллектор (ОК) служит буферным каскадом с большим входным и малым выходным сопротивлением. Транзистор V4 включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Внешней нагрузкой предварительного усилителя является входное сопротивление и входная ёмкость основного усилителя. Для учета их влияния подключена цепочка R12 и С7. Рисунок 1 – Принципиальная схема усилителя 3. Расчет элементов схемы по постоянному току. 3.1. Расчет цепей питания фотодиода V1. Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольт-амперная характеристика приведены на рисунке 2.   Рисунок 2 – Принципиальная схема цепей питания фотодиода и его ВАХ Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода. Выберем напряжение анод-катод фотодиода Uак =8В, |Uак|  (1.1)определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде:  (1.2)Теперь, зная фототок I1, вычислим сопротивление резисторов R1 и R2 по формулам:  (1.3) (1.4)    Сопротивление фотодиода постоянному току в точке А (рисунок 2) определим по формуле:  (1.5) Сопротивления резисторов R1 и R2 выбираем из номинального ряда (таблица 4). Таблица 4
3.2. Расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе. Принципиальная схема предварительного каскада представлена на рисунке 3  Рисунок 3 – Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом. Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: тока стока начального Ic нач, крутизны максимальной Smax и напряжения отсечки Uотс. Выберем напряжение затвор-исток Uзи= -1В, Uзи ≤ Uотс/2. Тогда ток стока и крутизну вычислим по формулам:  (1.6) (1.7)  Выберем напряжение на истоке Uи = 0,2E0, а напряжение сток-исток Uси = E0/2. Тогда напряжение на стоке равно:  (1.8) Напряжение на затворе:  (1.9) Вычислим сопротивления резисторов. Сопротивления резисторов выбираем по номинальному ряду (таблица 4). Так как частота верхнего среза входной цепи fвх√2 должна быть больше fв√2, а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью:  (1.10)где Сд – проходная емкость диода; Свх – входная емкость транзистора V2, определяется по формуле:  (1.11)См– емкость монтажа. Рассчитаем сопротивление R4, исходя из заданной верхней частоты fв√2 : (1.12) (1.13) (1.14) (1.15) (1.16)      3.3.Расчет каскадов по постоянному току на биполярных транзисторах V3 и V4. Принципиальная схема каскадов V3 и V4 на биполярных транзисторах представлена на рисунке 4.  Рисунок 4 – Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току Для расчета сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4. Выберем ток покоя транзистора V4 Iк4 = 1,5 мА ≤ Iк max/2. Так как переменный коллекторный ток транзистора V3 меньше, чем переменный ток коллектора V4, выбираем постоянный коллекторный ток Iк3 = 0,5 мА ≤ Iк4. Напряжение коллектор-эмиттер V4 Uкэ,4=E0/2=5В и напряжение на эмиттере V4 Uэ4=0,1E0=1В, можно определить напряжение Uб4 по формуле:  (1.17)где Uбэ=0,7 В для кремниевых транзисторов. Напряжение на базе V3 определим по формуле:  (1.18)Напряжение на коллекторе V4:  (1.19)   Вычислим сопротивления резисторов и токов в схеме. Сопротивления резисторов выбираем по номинальному ряду (таблица 4).  (1.20) (1.21) (1.22) (1.23) (1.24) (1.25) (1.26)       Ток делителя выберем:  Тогда:  (1.27) (1.28)  3.4. Проверка расчета на компьютере. Правильность расчетов сопротивлений удобно проверить с помощью компьютера. С этой целью для схемы (рисунок 4) составляем эквивалентную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ. В программе Fastmean набираем эквивалентную схему (рисунок 5). Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора. При расчете используем сопротивления резисторов, выбранные ранее по номинальному ряду. Сопротивления R6 и R7 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 по постоянному току.    Рисунок 5 – Эквивалентная схема усилительного каскада по постоянному току в программе Fastmean.  Рисунок 6 – Результаты расчета на ПК Сравним результаты расчетов и заполним таблицу 5. Таблица 5
Результаты совпадают с большой точностью (менее 6%). Можно считать, что расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно. 4. Расчет усилителя на переменном токе. 4.1. Расчет коэффициента усиления по току Ki(f) в режиме малого сигнала. Расчет проведем при помощи программы Fastmean. Для этого составим полную эквивалентную схему усилителя на переменном токе (для всех диапазонов частот). На первом этапе выводы источника питания Е0 на эквивалентной схеме можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить, так как его сопротивление переменному току равно нулю. После этого верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом и эквивалентную схему удобно изобразить в виде, показанном на рисунке 7. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом.  Рисунок 7 – Предварительная схема усилителя на переменном токе На втором этапе элементы схемы V1, V2, V3 и V4 заменяются их эквивалентными моделями на переменном токе. Транзисторы заменяются активными четырехполюсниками в виде ИТУН и ИТУТ (рисунок 8). Минусы перед показателями передаточных функций отражают поворот фазы сигнала. В схеме ИТУН сопротивление rзи велико и учитывать его нет необходимости. В схеме ИТУТ необходимо учитывать внутренние емкости: емкости переходов база-эмиттер Сб’э и база-коллектор Ск.  (2.1)Существенную роль играют сопротивления переходов база-эмиттер rб’э и сопротивления базового слоя (объёмное сопротивление базы) rб’б, определим их по формулам:  (2.2) (2.3)Входное сопротивление биполярного транзистора на переменном токе определяется формулой:  (2.4)  Рисунок 8 – Эквивалентные модели полевого и биполярного транзисторов для переменного тока. Сопротивление фотодиода на переменном токе rд оказывается намного выше, чем на постоянном Rд, поскольку также определяется касательной к характеристике в точке покоя А, но характеристика в фотодиодном режиме пологая (рисунок 2). Практически всегда можно считать, что сопротивление на переменном токе rд бесконечно велико и на эквивалентной схеме не показывать.  Рисунок 9 – Полная эквивалентная схема по переменному току Сопротивления резисторов в схеме имеют следующие номинальные значения: Таблица 6
Элементы, R12-R16 не являются резисторами, как показано на рисунке 9, они отражают эквивалентные сопротивления: внешней нагрузки (R12), собственные сопротивления базового слоя rб'б (R13, R15) и сопротивления перехода база-эмиттер rб'э (R14,R16). Рассчитаем их:    Рассчитаем емкости в схеме:   Значения дополнительных емкостей приведены в таблице 7: Таблица 7
4.2. Построение амплитудно-частотной характеристики Используя программу Fastmean, получаем АЧХ коэффициента передачи тока Ki(f)=I(R12)/I1. Зависимость модуля функции передачи от частоты принято строить в децибелах по оси Y и в логарифмическом масштабе по оси частот. На рисунке 10 представлена АЧХ коэффициента усиления тока.      Рисунок 10 – АЧХ коэффициента усиления тока На средних частотах коэффициент усиления составляет 61,0дБ. Определим полосу пропускания усилителя по уровню -3дБ. Полоса пропускания получилась от 1,91 МГц до 8,9 кГц. 4.3. Расчет сопротивления передачи Используя программу Fastmean, получаем также частотную характеристику сопротивления передачи R(f)=U(14)/I1. Для этого в диалоговом окне производим необходимые изменения. Устанавливаем на обеих осях логарифмические масштабы и убираем db из отношения U(14)/I1.  Рисунок 11 – Частотная характеристика сопротивления передачи На средних частотах сопротивление передачи составляет R=1349 кОм. Рассчитаем максимальное выходное напряжение спроектированного усилителя-преобразователя ток-напряжение. Амплитуду тока сигнала определяем как разность между током фотодиода в точке покоя и темновым током:  Амплитуда выходного напряжения будет равной:  4.4. Выполнение технических условий: Для удобства определения полосы пропускания уменьшим частотный диапазон характеристики сопротивления передачи (рисунок 12). Граничные частоты находим по уровню 0,707 по отношению к значению на средних частотах. Из рисунка 12 следует, что нижняя граничная частота оказывается ниже указанной в техническом задании (f=8,8кГц<20кГц), а верхняя граничная частота ниже заданной (f=1,93МГц<2МГц).  Рисунок 12 – Характеристика сопротивления передачи с уменьшенным частотным диапазоном Для выполнения технических условий в области верхних частот необходимо уменьшить усиление транзистора V4 введением отрицательной обратной связи, т.е. введением в его эмиттер резистора R11’ и конденсатора. При этом для сохранения режима работы транзистора V4 на постоянном токе общее сопротивление в эмиттерной цепи сохраним прежним R11=R11’+R11”. Резистор R11” зашунтирован конденсатором С5 и на характеристики усилителя в области верхних частот влияния не оказывает.  Рисунок 13 – Частотная характеристика сопротивления передачи в узле 14 после введения ООС Введя ООС, получаем удовлетворительное решение (рисунок 15). Представим измененную эквивалентную схему по переменному току.  Рисунок 14 - Полная эквивалентная схема по переменному току Получили характеристику, удовлетворяющую требованиям технического задания (рисунок 15). На средних частотах сопротивление передачи составляет R=312 кОм. Рассчитаем максимальное выходное напряжение спроектированного усилителя-преобразователя ток-напряжение. Амплитуду тока сигнала определяем как разность между током фотодиода в точке покоя и темновым током:  Амплитуда выходного напряжения будет равной:  Рисунок 15 - Частотная характеристика сопротивления передачи, удовлетворяющая требованиям технического задания На рисунке 15 стрелки линеек установлены на граничные частоты по техническому заданию. Модуль сопротивления передачи на этих частотах превышает необходимый уровень 0,707 от 312 кОм, равный 220 кОм. Задание выполнено с достаточной в технических расчетах точностью. Далее представлена принципиальная схема усилителя и перечень элементов.   Литература Алексеев А.Г., Климова П.В. К расчету резисторных каскадов. Методические указания. 2009. www.viso.ru Справочник по электрическим конденсаторам Под общей ред. Четверткова И.И. и Смирнова В.Ф.—М.: Радио и связь,--1983. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||