Методические указания по выполнению заданий

К пункту 1.1

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

 

                                                                                                                    +

                                                                                           

                                             R_Б1                   R_к                                U_Г

                                                                                  С_Р2

                                                                                                                     -

                               С_Р1                                 VT1

 

 

              R_G                       

 

                                            R_Б2    С_Э1        R_Э              R_Н

                        

                U_G

 

 

          

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная усилительного каскада с общим эмиттером

  Рассчитать сопротивление резистора коллекторной цепи транзистора:

R_K = (1 + K_R) × R_H,

где K_R - коэффициент соотношения сопротивлений R_K и R_H,

K_R = 1,2 ¸ 1,5 при R_H £ 1 кОм;

K_R = 1,5 ¸ 5 при R_H > 1 кОм.

  Номинал резистора R_K выбирается по Приложению 2.

  Определить эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

.

  Найти амплитуду коллекторного тока транзистора:

.

  Определить ток покоя (ток в рабочей точке) транзистора:

  где k₃ – коэффициент запаса. K₃ = 0,7 ¸ 0,95, k₃ = 0,7- максимальные не­линейные искажения, k₃ = 0,95 – максимальный КПД.

  Рассчитать минимальное напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке транзистора: U_{КЭП_MIN} = U_НМ + U₀,

  где U₀ - напряжение коллектор-эмиттер, соответствующее началупрямо­линейного участка выходных характеристик транзистора, В; U₀ = 1В - для тран­зисторов малой мощности (Р_К £150 мВт); U₀  = 2 В - для транзисторов большой и средней мощности (Р_К > 150 мВт).

  Если U_{КЭП_MIN} меньше типового значения  U_КЭП = 5 В, то следует выбрать U_КЭП = 5 В, в 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

U_{КЭ_ДОП} ³ U_П;

  б) максимальный допустимый средний ток коллектора

I_{К_ДОП} > I_КП;

  в) максимальная мощность рассеивания на коллекторе Р_{К_МАХ}  при наи­большей температуре окружающей среды Т_М     Р_{К_МАХ} > I_КП U_КП,

 

Р_{К_МАХ}  находится по формуле:

,

  где Р_{К_ДОП} - максимально допустимая мощность рассеивания на коллек­торе при температуре окружающей среды Т₀, Вт; Т_{П_МАХ} - максимальная тем­пература перехода, ^оС; Т₀ – температура окружающей среды, при которой нор­мируется Р_{К_ДОП}, 25 ^оС; Р_{К_ДОП}, Т_{П_МАХ} - справочные величины.

  Вычертить входные и выходные характеристики выбранного транзистора. На выходных характеристиках транзистора построить нагрузочную пря­мую постоянного тока по точками А, В с координатами (рис. 3);

  точка А                        U_KЭ = 0, ,

  точка В                          U_KЭ = U_П, I_К = 0.

  На пересечении нагрузочной прямой и прямой I_К = I_КП нанести рабочую точку С. Уточнить напряжение U_KЭв рабочей точке (U_KЭП = U_KЭ в точке С).

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

  На входную характеристику (рис. 2) нанести рабочую точку Сна пере­сечении входной характеристики (при U_KЭП)и прямой I_Б = I_БП. ОпределитьU_БЭП.

                                  

                   I_Б, мА

         

                                                                                          U_КЭ = 5В

 

 

        

 

              I_Бm

 

 

 

 

                                                                                                     U_бэп       U_БЭ, В

 

                                                                                                              U_Бm

 

 

Рис. 2. Входная характеристика биполярного транзистора (КТ315Г)

 

 

Рис. 3. Выходные характеристики биполярного транзистора (КТ315Г)

 

  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 (при U_KЭ = const) в рабочей точке; задать приращение DU_БЭ около рабочей точки С,найти соответствующее ему приращение базово­го тока DI_Б. Вычислить h_11Э:

, Ом.

  Определить по входным характеристикам транзистора коэффициент об­ратной связи по напряжению h_12Э(при I_Б = const). Для этого, используя спра­вочник по полупроводниковым приборам, нанести на входную характеристику выбранного транзистора кривую со значением U_KЭотличным от имеющегося в данном методическом указании. По двум точкам, выбранным на данных кри­вых произвольным образом, найти приращение DU_КЭ и соответствующее ему приращение DU_БЭ:

.

  По выходным характеристикам транзистора определить коэффициент пе­редачи тока базы h_21Э (при U_KЭ = const). Найти приращение коллекторного то­ка и соответствующее ему приращение базового тока при пересечении прямой U_KЭ = U_KЭП соседних от рабочей точки С выходных характеристик (точки Д, Ерис. 3):

.

  По выходным характеристикам транзистора определить выходную про­водимость h_22Э (при I_Б = const). Для этого на одной из выходных кривых, выбранной произвольно, нанести две точки (в пределах рабочей области тран­зистора). Найти приращение коллекторного тока и соответствующее ему при­ращение коллекторного напряжения. Определить выходную проводимость:

, См.

 

  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. 3):

.

  Нанести на выходные характеристики транзистора амплитуду коллектор­ного тока I_КМ и напряжения U_НМ(рис. 3), определить амплитуду базового тока I_БМ = DI_Б / 2. На входных характеристиках (рис. 2) показать амплитуды базового тока и входного напряжения транзистора U_ВХМ = DU_БЭ / 2.

  Определить коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности К_I, К_U, К_Р:

                     ;       ;

К_Р = К_I  К_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_Р1, С_Р2, С_Б1.

.

  Рассчитать емкость конденсатора:

,

выбрать номинал емкости конденсатора С_Р1 из приложения 2 (при емкости ме­нее 10 мкФ) или приложения 3 (при емкости 10 мкФи более).

  Определить емкость конденсатора С_Р2 и выбрать ее номинал:

.

  Рассчитать емкость блокировочного конденсатора С_Б1 и выбрать номи­нал:

.

К пункту 2.1

  Вычертить заданную принципиальную электрическую схему.

  Расчет значений величин элементов схемы производить в порядке, при­веденном в табл. 5 для усилителей переменного и постоянного тока (рис. 4а, 4б, 4г, 4д) или в табл. 6 для сумматора (рис. 4в). 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, вызван­ного входными токами ОУ, общие сопротивления резисторов, подключенных к различным дифференциальным входам, равны (R₂ = R₁; рис. 4а; 4б; 4г; 4д; ; рис. 4в).

К пункту 2.2

  Выбирать ОУ по приложению 4 следует исходя из коэффициента усиле­ния по напряжению К_U >> К_U1 + К_U2 (для схем рис. 4а, б, г, д; К_U2 = 0) и сопро­тивления источника сигнала:

R_G £ 10 кОм    140 УД7, 140 УД6

R_G £ 10 кОм   140 УД6, 140 УД14

R_G £ 10 кОм    140 УД14, 140 УД8, КР544 УД1

R_G £ 10 кОм   140 УД8, КР544 УД1.

  Необходимо проверить выбранный ОУ.

  Операционный усилитель должен обеспечить требуемый динамический диапазон выходных напряжений

,

  где D -динамический диапазон, дБ; U_ВЫХМАХ - максимальное выходное напряжение, В; U_ВЫХМIN - минимальное выходное напряжение, В.

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

  Порядок проверки ОУ по напряжению смещения нуляприведен в табли­це 7.

  В формулах таблицы7 использованы обозначения:

Di_ВХ - разность входных токов ОУ, А;  - тепловой дрейф разности вход­ных токов, А/°С; Т_М - наибольшая температура окружающей среды,^оС; Т_О - температура, при которой измеряются параметры ОУ; U_{ВЫХМАХОУ} - 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} ³ U_СМS  ,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. 4а; 4б; 4г; 4д):

.

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

;

.

 

 

Таблица 5

№	Расчетные величины	Инвертирующ. усилитель постоянного тока (рис.4а)	Неинвертир. усилитель постоянного тока (рис.4б)	Инвертирующий усилитель переменного тока (рис. 4г)	Неинвертирующий усилитель переменного тока (рис. 4д)
1	Сопротивление резистора R1	R1 = (5 ¸ 10) RG1	R1 = (5 ¸ 10) RG1	R1 = (5 ¸ 10) RG1	R1 = (5 ¸ 10) RG1
2	Сопротивление резистора R2	R2 = R1	R2 = R1	R2 = R1	R2 = R1
3	Сопротивление резистора цепи обратной cвязи R3	R3 = KU1 R1	R3 = (KU1 - 1) R1	R3 = KU1 R1	R3 = (KU1 - 1) R1
4	Емкость разделительного конденсатора С1	-	-

                 

                                                                                                                                                                           Таблица 6

№	Расчетная величина	KU1 RG1 ³ KU2 RG2	KU1 RG1 < KU2 RG2
1	Сопротивление резистора R1	R1 = (5 ¸ 10) RG1	R1 = (5 ¸ 10)RG2 KU2 / KU1
2   3     4	Сопротивление резистора R2 Сопротивление резистора R3  Сопротивление резистора цепи обратной связи R4	R4 = KU1 R1

 

Принципиальные электрические схемы устройств на операционных усилителях

Рис. 4. а – инвертирующий усилитель постоянного тока;

б – неинвертирующий усилитель постоянного тока;

Рис. 4. в – суммирующий усилитель постоянного тока;

г – инвертирующий усилитель переменного тока;

Рис. 4. д – неинвертирующий усилитель переменного тока;

 

Таблица 7

№	Расчетная величина	Схема
		Рис. 4а	Рис. 4б	Рис. 4в	Рис. 4г	Рис. 4д
1	Сопрот. по пост. току подключен. между вход. ОУ и нулевой точкой RВХ. 0	RВХ.0 = R2	RВХ.0 = R2	RВХ.0 = R3	RВХ.0 = R2	RВХ.0 = R2
2	Допустимое напряжение смещения приведенное ко входу ОУ UСМ. ДОП
3	Напряж. смещен. ОУ вызван. разностью входных    токов и ее теплов. дрейфом UСМ. I
4	Напряж. смещен. вызван. внутрен. смещен. ОУ и его тепловым дрейфом UСМ. U
5	Суммарное напряжение смещения приложен. между входами ОУ UСМ. S

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1