Расчёт усилительного каскада с общим эмитером

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Ижевский Государственный Технический Университет»

(ИжГТУ)

Кафедра: «Сети и связи телекоммуникаций»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  Работа

По дисциплине : Основы схема техники

На тему : «Расчёт усилительного каскада с общим эмитером»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы 4-29-1 ЗУ

Серов Н.О

                                                                              Принял: Кайсин А.Е

 

 

 

 

г. Ижевск 2012 г

Содержание

 

Ведение    ………………………………………………………………… 3 стр

1. Исходные данные …………………………………………………….. 5 стр

2. Анализ задания ……………………………………………………….. 6 стр

3. Математические модели компонентов схемы  ……………………... 7 стр

4. Расчет схемы по постоянному току ………………………………….7 стр

5. Идентификация моделей компонентов …………………………….. 10 стр

6. Топологическое описание схемы  ……………………………………12 стр

7. Математическая модель схемы ……………………………………....14 стр

8. Моделирование схемы с применением ППП "MicroCap" ………….20 стр

9. Заключение ……………………………………………………………22 стр

10.Список литературы ………………………………………………….. 23 стр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Полупроводниковые электронные  устройства делятся на два больших  класса: аналоговые и цифровые (дискретные). В основе классификации лежит  возможность изменения в устройстве электрического сигнала, несущего информацию. Если информационный сигнал изменяется непрерывно и может принимать  произвольные значения в широком  диапазоне, устройство является аналоговым, если же сигнал изменяется дискретно  и может принимать только два  фиксированных значения, соответствующие  нулю и единице, то устройство является цифровым или дискретным. В аналоговых устройствах сам электрический  сигнал и его параметры – уровень, частота и фаза электрического колебания  несут информацию о физической величине. В цифровых устройствах информация о величине закодирована цифровым кодом, состоящим из множества двоичных разрядов, каждый из которых может  принимать только одно из двух фиксированных  значений, которым соответствуют  два уровня напряжения (обычно они  обеспечиваются открытым либо закрытым состоянием транзистора, работающего  в ключевом режиме).

Информацию о различных  физических величинах и контролируемых процессах получают с помощью  датчиков, называемых также измерительными преобразователями. Эти устройства осуществляют преобразование измеряемой величины в пропорциональный ей электрический  сигнал. Очень часто эти сигналы  небольшие, измеряемые тысячными долями вольт. После передачи по каналам  связи сигналы приходят сильно ослабленными, и для нормальной работы приемников информации с этими сигналами  требуется их предварительное усиление. Также невелик уровень электрических  сигналов, считываемых с носителей  информации во всевозможных магнитных  и оптических запоминающих устройствах. Таким образом, для нормальной работы различных электронных устройств и систем необходимо усиление слабых сигналов. Для этого используются усилители.

Усилитель – это устройство, увеличивающее интенсивность входного сигнала, используя энергию источника  питания. В зависимости от назначения различают усилители напряжения и мощности, постоянного и переменного  тока, усилители в разных диапазона частот.

Основными задачами электронных  схем являются:

1.Определение выходных  сигналов схемы и режимов при  заданных значениях входных сигналов  и параметров схемных компонентов.

2.Определение работоспособности  схемы при изменениях температуры  окружающей среды, напряжения  питания, параметров схемных компонентов.

3.Определение вероятностных,  т. е. статических характеристик  распределения параметров схемы.

Ведущей программой, обеспечивающей решение данной задачи, является входной  блок, который производит приём информации о конфигурации схемы, характере  решаемой задачи и т.д.

Следующий блок содержит библиотеки математических моделей разнообразных  компонентов электронных схем.

В блоке математического  моделирования конфигурации схемы  производится описание способов соединения компонентов в схему.

В блоке математических моделей  схемы математические модели объединены в соответствии с конфигурацией  схемы в общую систему уравнений  определённого вида.

Решение полученных уравнений  при заданных значениях параметров компонентов и значений входных  сигналов выполняется блоком анализа, математическим обеспечением которого являются методы численного решения полученных систем уравнений.

 

 

1. Исходные данные

 

Схема представляет собой  усилительный каскад с общим эмиттером  с ёмкостной связью.

Транзистор КТ104 В

Т=50 °С

Е = -12В

f_н =90 Гц

R₃=7,5 кОм

R₄= 1 кОм

R_н = 8,2 кОм

U_вх(t)= U_m sin wt

U_m=0,1 В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Анализ задания

 

В данной курсовой работе требуется  рассчитать каскад, включенный по схеме  с общей эмиттером. Он выполнен на биполярном транзисторе КТ104 В – это кремниевый p-n-p транзистор. Он имеет следующие характеристики:

 

Обратный ток коллектора при  Uкб	1 мкА при 15 В
Обратный ток эмиттера при Uэб	1 мкА при 10 В
Режим измерения h-параметров
напряжение коллектора	5 В
ток коллектора	1 мА
Входное сопротивление	120 Ом
Коэффициент передачи тока	40..160
Коэффициент обратной связи	-
Выходная полная проводимость	-
Граничная частота коэффициента передачи	5 МГц
Ёмкость коллекторного перехода	50 пФ
Постоянная времени цепи обратной связи	3 пс
Коэффициент шума	-
Максимально доступные параметры
постоянное напряжение коллектор-база	15 В
постоянное напряжение коллектор-эмиттер	15 В
постоянный ток коллектора	50 мА
импульсный ток коллектора	-
рассеиваемая мощность без  теплоотвода	150 мВт
Максимальная температура окружающей среды	+100 С
Минимальная температура окружающей среды	-60 С
Общее тепловое сопротивление транзистора	0,4 С/мВт
Тип перехода, материал	p-n-p, кремний

 

 

3. Математические модели компонентов схемы

 

Рассмотрим математические модели компонентов. Это элементы R ,С и БТ.

 

Название	Обозначение	Характеристика
Сопротивление
Конденсатор
Источник питания
Транзистор

 

4. Расчёт 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.

 

, т.к.  , то

 

 

Последнее уравнение и  есть уравнение линии нагрузки, которая  наносится на выходные ВАХ транзистора.

При

 

=0,

 

При

 

,

 

При этом выбираем рабочую  точку, достраивая ВАХ. Получаем I_КА=1мА, U_КЭА=1,5В, I_брт=10мкА. По входной ВАХ определяем U_бэ=0,55 В.

Построим линию нагрузки.

 

 

 

 

5. Идентификация моделей компонентов

 

При представлении транзистора  как четырехполюсника чаще всего  используется схема h-параметров, которые  измеряются для транзистора со стороны  внешних зажимов как отношения  токов и напряжений в зажимах.

 

схема биполярного транзистора  как четырёхполюсника.

 

Составим для этой схемы  систему уравнений:

 

 

 

где h₁₁ – входное сопротивление транзистора, как четырехполюсника

h₁₂ – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению

h₂₁ – коэффициент прямой передачи тока

h₂₂ – обратная проводимость транзистора как четырехполюсника

По ВАХ транзистора  определим эти параметры. Для  схемы с ОЭ:

 

 

 

По найденным коэффициентам  определим параметры эквивалентной  схемы замещения транзистора. А  б

 

кОм

, , мВ

Ом

Ом

 

 

Найдём ёмкости 

 

 

Где

 

 

Найдём тепловые токи транзистора , , ,:

 

 

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. Такой моделью будет – модель Молла-Эберса.

 

Эквивалентная схема замещения

 

Составим граф схемы замещения  и сразу выделим дерево графа.

 

Граф схемы

 

Составим матрицу F. Также определим вид матриц –F и F^T

 

7. Математическая модель схемы

 

Сформируем вектор U_СВ по известному вектору U_В:

 

 

Найдём напряжения на связях по формуле Uсв=-F Uв:

 

Это эквивалентно следующей  системе уравнений:

 

 

Подставим найденные напряжения ветвей связи в ММК:

 

 

;

 

Откуда токи связей:

 

 

Найдем токи ветвей, используя  соотношение I_B = F^T * I_CB:

 

 

 

=

=

 

Это эквивалентно следующей  системе уравнений:

 

 

Подставим найденные токи связей в уравнения токов ветвей:

 

 

Полученные уравнения  подставим в математические модели компонентов с учетом того, что  I_Uвх и подставлять не нужно:

 

 

Данная система является математической моделью схемы. Она  состоит из двух дифференциальных и  двух линейных уравнений.

Представим  через переменные состояния.

 

 

 

Представим  через переменные состояния.

 

 

 

В итоге получаем:

 

 

8. Моделирование схемы с применением ППП "MicroCap"

 

Схема имеет вид:

 

 

Передаточная характеристика:

Анализ по постоянному  току

 

 

 

Входной и выходной сигналы:

 

 

Графики зависимости выходного  сигнала от входного в режиме анализа  переходного процесса Transient ( на частоте 90 Гц)

 

9. Заключение

ток транзистор каскад эмиттер

В данной курсовой работе было произведено рассмотрение усилительного  каскада с общим эмиттером  с распределенной нагрузкой. Рассмотренный  усилитель соответствует данным технического задания. Также был  произведен расчет токов и напряжений для всех элементов схемы методом  постоянных состояния. С помощью  ЭВМ были смоделировали переходные и частотные характеристики каскада в "MicroCap". Результаты моделирования отражают статический и усилительный режим работы транзистора, а также доказывают, что каскад с общим эмиттером инвертирует фазу входного сигнала.

 

 

10. Список литературы

 

1. Ногин В.Н. Аналоговые электронные  устройства: Уч. пособие, М. 1992.

2. Справочники по полупроводниковым приборам (В.Ю. Лавриенко,

А.В. Голомедов, Н.Н. Горюнов и др.)

3. Баскакова И.В. Лекции по основам электронике и электротехники, 2011 г.

4. Джонс « Электроника практический курс.»

Размещено на Allbest.ru