Расчет электронных устройств

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Электроника»

на тему:

Расчет электронных устройств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

Раздел

  1. Расчет усилителя напряжения на биполярном транзисторе
    1. Исходное задание………………………………………………3
    2. Схема усилителя напряжения. Назначение элементов и принцип работы………………………………………………………3
    3. Расчет схемы…………………………………………..……….6

Раздел
  1. Расчет схемы на операционном усилителе
    1. Исходное задание…………………………………………….13
    2. Схема устройства на ОУ. Назначение элементов и принцип работы………………………………………………………………..13
    3. Расчет схемы………………………………………………….14

Раздел
  1. Синтез логической функциональной схемы
    1. Исходное задание……………………………………………..18
    2. Минимизация функции……………………………………….18
    3. Факторизация минимизированной функции………………...19
    4. Построение функциональной схемы в булевом базисе…….20
    5. Перевод схемы в универсальный базис………………………21
    6. Построение схемы в универсальном базисе…………………21

Заключение……………………………………………………………………...22

Список литературы……………………………………………………………..23


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Расчет усилителя напряжения на биполярном транзисторе

 

    1. Исходное задание

Рассчитать схему усилителя на биполярном транзисторе с параметрами:

EГm =0,55 В - максимальная амплитуда напряжения холостого хода источника входного сигнала;

RГm= 50 Ом - внутреннее сопротивление источника входного сигнала;

Uнm=1,2В - максимальная амплитуда напряжения нагрузки;

Rн=1000 Ом - сопротивление нагрузки;

fн=50 Гц - нижняя частота усиления;

Mн=1,5 - коэффициент частотного искажения на частоте fн .

 

    1. Схема усилителя напряжения. Назначение элементов и принцип работы.

 Рисунок 1.1 –Схема усилителя напряжения

 

Назначение элементов схемы:

VT1 – управляемый  биполярный  транзистор, включен по схеме с общим эмиттером, работает в активном режиме;

Rб1 и Rб2 – делитель напряжения, цепь  смещения начальной рабочей точки транзистора для обеспечения активного режима работы;

RН – эквивалент нагрузки усилителя; 

Rк – нагрузочный резистор по постоянному току;

Rэ – резистор термо-стабилизации рабочей точки биполярного транзистора, создает отрицательную и обратную связь по току;

RГ и ЕГ – эквивалентные параметры источника усиливаемого сигнала.

С1 и С2 – разделительные конденсаторы, исключают взаимодействие усилителя с источником сигнала (нагрузкой) по постоянному току.

          Рисунок 1.2 – Внешние характеристики

 

 

 

Принцип работы схемы

А) Uвх=0 – входной сигнал не подается, схема находится в состоянии покоя. R1 и R2 – формируют на базе начальное напряжение U0б,

 

Регулировка осуществляется R1. Переход база-эмиттер открыт, транзистор находится в активном режиме, протекают начальные токи Iоб, Ioк,

Ioк=В×Iоб

За счет тока Ioк на Rк происходит падение напряжения, поэтому на коллекторе транзистора начально напряжение меньше ,

 

Подбирая R1 его выводят на уровень

 

Постоянный ток с коллектора биполярного транзистора не может проходить на выход через С2 поэтому на выходе ток равен 0.

Б) Uвх>0

На выходе присутствует положительная полуволна усиливаемого сигнала. С1 для  переменного сигнала считаем равным 0, поэтому все входное напряжение переходит на базу и воздействует на транзистор на фоне начального напряжения. Напряжение базы увеличивается, биполярный транзистор дополнительно приоткрывается. Токи базы и коллектора возрастают, напряжение коллектора уменьшается. Напряжение коллектора через С2 подается на вход, где формируется полуволна входного напряжения.

В) Uвх<0

Входное напряжение уменьшается, напряжение на базе уменьшается. Транзистор при закрывается, но остается в активном режиме. Токи базы и коллектора уменьшаются относительно начальных условий, напряжение коллектора увеличивается, на выходе положительная полуволна напряжения.

  Как видно из диаграммы усилитель с общим эмиттером является инвертирующим (при положительной полуволне на входе, на выходе формируется отрицательная полуволна).

  Усиление по напряжению достигается за счет усиления тока (Iб → Iк) и за счет большого сопротивления Rк и Rн через который протекает переменный ток коллектора.

 

    1. Расчет схемы
      1. Определение заданного коэффициента усиления по напряжению
   

(1.1)


 
1.3.2 Расчет сопротивления резистора коллекторной цепи транзистора, кОм

   

(1.2)


где   – коэффициент  соотношения сопротивлений  Rк и Rн

При Rн ≤ 1 кОм, то  КR =1,2….1,5. Окончательно принимаем КR=1,5.

Ом

Выбираем из ряда Е24  Rк=2,4 кОм.

      1. Расчет сопротивления нагрузки транзистора по переменному току, кОм
   

(1.3)


 

      1. Расчет максимальной амплитуды переменного тока коллектора, мА
   

(1.4)


 

      1. Ток коллектора в начальной рабочей точке (ток покоя), мА 
   

(1.5)


где    – коэффициент запаса (0,7…0,95)

принимаем =0,7 мА, что соответствует минимальным искажениям сигнала.

 

      1. Минимальное напряжение в точке покоя, В
   

(1.6)


где U0 – граничное напряжение  коллектор-эмиттер  между активным  режимом и режимом насыщения.

Для транзисторов малой мощности U0=1 В.

 

1.3.7 Напряжение коллектор-эмиттер в начальной рабочей точке (точке покоя), В

Так как минимальное напряжение в точке покоя удовлетворяет условию < 5 В, следовательно, принимаем =5 В

      1. Сопротивление резистора отрицательной обратной связи (ООС),
   

(1.7)


 

Округляем до ближайшего меньшего стандартного значения    Rэ=0,33 кОм

      1. Рассчитаем напряжение источника питания, В
   

(1.8)


 В

Выбираем = 14 В.

1.3.10 Выбор транзистора по предельным параметрам из условий

Uкэ max >EП = 14 В

Iк max >Iкп = 2,4 мА

Pк max >Iкп×EП=2,4×14=33,6 мВт

где Uкэ max – максимальное обратное постоянное напряжение коллектора-эмиттера; Iк max – максимальный постоянный ток коллектора; Pк max – максимальная мощность на коллекторе транзистора.

Используем транзистор КТ315Б со следующими параметрами:

h21э =50  - 350.

Uкэ max =0,4 В.

Iк max =100 мА.

Pк max =200 мВт.

Iко =1 мкА.

1.3.10 Определим ток базы покоя транзистора, мА

   

(1.9)


 

1.3.11 Рассчитаем напряжение покоя базы –эмиттер, В.

Для этого используем относительное выражение для ВАХ эмиттерного перехода:

   

(1.10)


Где – обратный ток перехода, m =1,2,3 –поправочный коэффициент, учитывающий не идеальность электронного перехода.

Для Uбэ>3mφТ = 150 мВ единицей можно пренебречь. Тогда с учетом зависимости         

   

(1.11)


можно получить

   

(1.12)


где =26 мВ.

Напряжение может быть определено по входной характеристике транзистора для активного режима работы в схеме с ОЭ по значению .

 

1.3.12 Рассчитываем ток делителя цепи смещения, мА

   

(1.13)


 

1.3.13 Рассчитаем сопротивления цепи смещения, кОм

   

(1.14)


 

Выбираем

   

(1.15)


 

Выбираем

1.3.15 Рассчитаем эквивалентное сопротивление цепи смещения, кОм

   

(1.16)


 

1.3.16 Рассчитаем входное сопротивление усилителя, кОм

   

(1.17)


где

   

(1.18)


 

 

   

(1.19)


 

 

1.3.17 Расчёт разделительных конденсаторов, мкФ

Принимаем вклады С1 и С2 в частотные искажения на частоте fН равными:

   

(1.20)


тогда

   

(1.21)


 

Выбираем

   

(1.22)


 

Выбираем

1.3.18 Делаем проверку усилителя на соответствие заданному значению коэффициента усиления по напряжению КU. Используем для расчета действительного коэффициента усиления точную формулу:

   

(1.23)


где

   

(1.24)


 

 

отклонение 

Так как значения и расходятся менее чем на 10%, то можно сделать вывод что расчет удовлетворяет заданию.

1.3.19 Режим по постоянному току:

= 11 В

 

 

 

(1.25)

(1.26)

(1.27)


 

 

 

1.3.20 Проверка работоспособности схемы:

А) >

Активный режим транзистора выполняется;

Б)

 

Класс усиления А обеспечивается.

Параметры схемы:

Rб1 =53,4 кОм;

Rб2 =5 кОм;

Rэ =327 Ом;

Rк =2,5 кОм;

Rн=1000 Ом;

Rг =50 Ом;

С1 =1,23 мкФ;

С2 =1,29 мкФ;

VT1 – КТ315 Б.

1.3.20 Строим нагрузочные характеристики транзистора по постоянному и переменному токам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.3 – Нагрузочные характеристики транзистора КТ315Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Расчет схемы на операционном усилителе

 

    1. Исходное задание

Рассчитать схему на операционном усилителе с параметрами:

 – сопротивление эквивалентного генератора,

 – коэффициент усиления по напряжению для первого источника,

 – максимальная рабочая температура,

  – динамический диапазон.

 

    1. Схема устройства на ОУ. Назначение элементов и принцип работы.

Рисунок 2.1 – Инвертирующий усилитель постоянного тока

 

Назначение элементов схемы:

DA1 – усиливающий элемент;

R1, – служат для получения требуемого коэффициента усиления по напряжению;

R2  -служит для компенсации ошибки ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ  через резисторы, подключенные к инвертирующему входу;

R3 –элемент цепи обратной отрицательной связи и задаёт коэффициент усиления по напряжению;

Rг1 ,Uc1.,Rг2 ,Uc2  - Эквиваленты источников входного сигнала;

Принцип действия схемы:

Инвертирующий усилитель -представляет собой ОУ, охваченный цепью параллельной ООС по напряжению с помощью резистора R3 и R1. Входной сигнал подан на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземлен через резистор R2.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами для идеального ОУ (Rвх= ∞) принимается равной нулю, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому I1= Uвх/R1. Так как принято допущение, что входы ОУ не потребляют тока, то Iос=I1=Uвх/R1. Выходное напряжение можно найти как падение напряжения от тока Iос на резисторе Rос (т.к. потенциал точки А примерно равен нулю)

отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

                 

                                  

Из формулы видно, что коэффициент усиления kос зависит только от отношения сопротивлений Rос/R1 и не зависит от kUо, поэтому его стабильность очень высока. Выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного на 180º.

В отличие от неинвертирующего усилителя входное сопротивление схемы значительно ниже и определяется сопротивлением резистора R1 (несколько кОм), то есть Rвх=R1. Большое значение коэффициента kUо ОУ позволяет обеспечить достаточное усиление и при наличии обратной связи.

 

    1. Расчет схемы.

2.3.1 Рассчитаем сопротивление R1, кОм.

Для обеспечения отсутствия влияния сопротивления генератора  RG  на коэффициент усиления сопротивление R1 выбирается больше RG в 5…10 раз:

 

   

(2.1)


 

И округляем до стандартного значения 180 кОм

      1. Рассчитаем значение сопротивления  резистора обратной отрицательной связи R3, кОм .                                                                                                           Для неинвертирующего  усилителя по коэффициенту усиления:
   

(2.2)


 

Выбираем

      1. Значение сопротивления компенсационного резистора R2 принимаем равным значению R1:
   

(2.3)


 

 

2.3.4. Выберем операционный усилитель согласно следующих условий:

max{R1, R2 } <<  Rвх ОУ


Rвых ОУ << R3 << Rвх ОУ                                                                              (2.4)

Uсм доп > U∑см ОУ

Выбираем операционный усилитель К140УД17 со следующими параметрами операционного усилителя

Коэффициент усиления ;

Входное сопротивление Rвх = 60 МОм;

Выходное сопротивление Rвых = 1 кОм;

Разность входных токов ∆Iвх = 3,8 нА;

Тепловая разность входных токов нА/К;

Напряжение смещения Uсм =0,075 мВ;

Температурный дрейф напряжения смещения мкВ/К;

Напряжение питания Uпит =  í15 В.

2.3.5 Рассчитаем допустимое напряжение смещения, приведенное к входу ОУ 

Uсм доп :

,                                          (2.5)

Uвых max =13 В,

Принимаем KU2 = 0, тогда .

В

2.3.6 Рассчитаем напряжение смещения ОУ, вызванное разностью входных токов и ее тепловым дрейфом Uсмi:

,                        (2.6)

В

2.3.7. Рассчитаем напряжение  смещения, вызванное внутренним  смещением ОУ и его тепловым  дрейфом Uсмu:

;                        (2.7)

В

2.3.8 . Найдем суммарное  напряжение смещения, приложенное  между входами ОУ Uсм∑:

;                        (2.7)

 = 1,023*10-3 В ≈ 0,0102 В

 

 

2.3.9 Найдем максимально допустимую амплитуду напряжения источников сигнала, полагая, что напряжение формируется входными сигналами поровну:

   

(2.12)

   

(2.13)


 

 

Так как Uсм доп>, поэтому ОУ выбран правильно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Синтез логической схемы

 

3.1 Исходное задание

Логическая функция: F=   

 

3.2 Минимизация  функции 

Стоимость схемы :

  где    n –общее число координат;

            r –размерность куба;

            k –число кубов на которых функция равна 1;

            W=(5-1)+(5-2)+(5-2)+(5-1)+(5-2)+(5-2)+6=26

Принципы минимизации функции:

  1. На картах Карно, там, где функция равна 1, нужно строить кубы максимальной размерности, так как чем выше размерность куба, тем меньше он стоит и тем большее число точек он покрывает.
  2. Минимальное возможное число кубов максимальной размерности должно покрывать все клетки карт Карно, где функция равна 1.

 

 

 

 

 

 Составляем карту Карно, выделяем соседние минтермы и минимизируем функцию

x1x2x3

 

x4x5

000

010

110

100

  

101

111

011

001

00

1

    

1

1

  

1

1

01

1

    

1

1

1

  

1

11

        

1

1

    

10

        

1

1

1

  

Эвристический алгоритм минимизации можно записать следующим образом:

  1. Построить максимальные кубы на клетках, где функция равна 1.
  2. Найти клетки, которые покрываются только одним кубом (обособленные клетки или вершины куба).
  3. Включить в минимальное покрытие все кубы, покрывающие обособленные клетки.
  4. Удалить из рассмотрения покрытые клетки. Выбросить из рассмотрения кубы, которые покрывали что-то из выброшенных клеток, если клетки, покрываемые отбрасываемыми кубами, имеют покрытие в виде другого куба равной или большей размерности по сравнению с отбрасываемым кубом.

После минимизации функция имеет вид:

 

Её стоимость равна W=(5-3)+(5-2)+(5-2)+(5-1)+4=16

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Факторизация  минимизированной функции 

      Факторизация  покрытий:

 

x0x0x

1x1x1

1x11x

x0x0x

      

1x1x1

µµµµµ

    

1x11x

µµµµµ

1µ1µµ

  

011x0

µµµµµ

µµ1µµ

µµ1µµ




 

 

 

 

 

 

Выбираем маскирующий куб См, имеющий максимальную стоимость. Стоимость куба определяется по формуле:

 

Для нашего случая кубами, имеющими максимальную стоимость, будут кубы:

См1=1µ1µµ

 

Для дальнейшей работы берем куб См1, так как он входит в вышеприведенную таблицу большее число раз.

В таблице отмечаем кубы, отмаскированные выбранным маскирующим кубом. Таковыми в нашем случае будут 1x1x1 и 1x11x

Покрытие F разбивается на три части. Вверху располагаются кубы, которые не покрываются маскирующим кубом. Затем записывается маскирующий куб. Под ним записываются отмаскированные кубы с прочерками на тех координатах, которые не равны µ в маскирующем кубе.

 

 

1µ1µµ

x0x0x

1µ1µµ

    

x0x0x

µµµµµ

  

011x0

µµ1µµ

µµµµµ


 

См2= µµ1µµ

  

 

µµ1µµ

µµ1µµ

  

x0x0x

µµµµµ


 

 

 

 

3.4 Построение  схемы в универсальном базисе  

 При построении схемы факторизованного покрытия руководствуемся правила:

  1. Построение схемы удобно вести по факторизованному покрытию снизу вверх.
  2. Любой куб, находящийся под маскирующим, реализуется в виде элемента «И», выходы которого соответствуют координатам куба, равным нулю или единице.
  3. Элементы «И», соответствующие отмаскированным кубам, объединяются элементом «ИЛИ».
  4. Маскирующий куб соответствует элементу «И». Его выходы образуются координатами маскирующего куба, равными нулю или еденице, и выходом элемента «ИЛИ», объединяющего отмаскированными им кубами.
  5. Маскирующий куб сам может объединяться с другими кубами элементом «ИЛИ», если вместе с другими кубами он покрывается маскирующим кубом более высокого уровня.

Рисунок – Реализация факторизованного покрытия.

3.5 Перевод схемы  в универсальный базис И-НЕ

 

 

 

Рисунок – Реализация схемы в универсальном базисе И-НЕ.

Правила перехода из булевого базиса И, ИЛИ, НЕ в универсальный И-НЕ:

  1. При переходе в базис И-НЕ все логические элементы заменяются на      И-НЕ.
  2. Независимые выходы элементов ИЛИ инвертируются, а у элементов И остаются без изменения.
  3. На выходе схемы устанавливается инвертор, если выход снимался со схемы И.

 

 

 

 

Заключение

 

Мной была выполнена курсовая работа, которая состоит из трех частей и включает расчеты усилителя напряжения на биполярном транзисторе, схемы на операционном усилителе и синтез логической функциональной схемы.

В первой части курсовой работы мы рассчитывали усилитель напряжения на БТ. Основным показателем того что усилитель выбран верно является расхождение полученного нами коэффициента усиления расчетного с заданным. В нашем случае оно составляет 5.3 % и не превышает допустимого значения. Таким образом можно сделать вывод что усилитель рассчитан верно. Кроме того, нами было подтверждено, что БТ работает в активном режиме и его класс усиления А. В заключительной части расчета мы строили нагрузочные характеристики по постоянному и переменному току, т. е. также определяли правильность расчета. Полученное графически значение Uкп сравнивали с заданным.

Во второй части был рассчитан операционный усилитель постоянного тока. Операционный усилитель рассчитан верно, об это говорит неравенство Uсм доп>.

В третей части работы был проведен синтез логической функциональной схемы. Проведя реализацию факторизованного покрытия мы получили схему, состоящую из элементов И и ИЛИ, а после преобразования в универсальный базис получили схему из элементов И-НЕ.

 

Список литературы

 

  1. Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы. К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с.
  2. Арестов К.А  Основы электроники и микропроцессорной техники. – М.: Колос, 2001
  3. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Э.Т. Романычевой. -2-е изд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 1989. – 448 с.
  4. Резисторы: Справочник / Под ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.
  5. Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. И.И. Четверткова и В.Ф.Смирнова. – М.: Радио и исвязь, 1983. – 576.
  6. Лабораторные работы по основам промышленной электроники: О. М. Князев и др. – М.: Высшая школа., 1989
  7. Методы расчета электронных схем: методические указания к курсовой работе, часть1/ Сост. В.А. Куликов, П.Н. Покоев – Ижевск: ИжГСХА, 2004.
  8. Методы расчета электронных схем: методические указания к курсовой работе, часть2/ Сост. В.А. Куликов, П.Н. Покоев – Ижевск: ИжГСХА, 2004.
Расчет электронных устройств