Транзистор - это полупроводниковый электронный прибор, управляющий током в электрической цепи, за счёт изменения входного напряжения или тока. Но по сути это обычный выключатель, включающий и выключающий ток, на котором, кстати, и основан компьютерный код, где 1 означает то, что ток есть, а 0 его отсутствие. Изобретению этого устройства мы обязаны американской лаборатории Bell Labs, в которой Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в далёком 1947 году создали его. Но как всегда и бывает с великими изобретениями, первоначально оно не было замечено общественностью, и только через 9 лет учёные получили Нобелевскую премию в области физики. Само же название “transistor” было придумано их коллегой Джоном Пирсом, который сложил его из 2 слов - “transfer” - переносить и “resistance” - сопротивление.
Первыми заметившими изобретение стали радиолюбители, использующие их для усиления сигнала. Почувствовав, что изобретение может принести прибыль, лаборатория решила продавать лицензии на использование транзисторных технологий. Успех не заставил себя долго ждать, и уже в 1956 году появился первый портативный радиоприёмник, что было раньше невозможно из-за использования громоздких ламп, а компактные транзисторы легко справлялись с этой задачей, что позволяло теперь всегда носить музыку с собой. Изобретения такого портативного устройства показало всю важность и востребованность новой технологии, что стало привлекать в эту сферу новые пытливые умы изобретателей. И через 2 года Джеком Килби и Робертом Нойсом был сделан гигантский шаг в развитии транзисторов, с помощью своей новой технологии они объединили их в одну микросхему. Этот революционный шаг познакомил Нойса с Гордоном Муром, с которым в 68-ом году он создает компанию Intel.
Именно микросхема, основанная на транзисторах, ознаменовала начало нового этапа в электронике, и именно она сделала возможным появление современных компьютеров. В 1965 году в одной из публикаций был сформулирован “закон Мура”, который говорил, что число транзисторов в микросхеме должно удваиваться с каждым годом. Этому закону постоянно предсказывают кончину, но вот уже больше сорока лет он продолжает работать. К примеру, в первом процессоре Intel 4004, выпущенном в 1971 году было 2300 транзисторов, а к 1989 году Intel 486 насчитывал их уже 1 200 000. Так, обходя на своём пути множество преград и постоянно совершенствуясь, последний процессор Intel Core 2 Extreme перевалил собой отметку в 820 000 000 транзисторов.
Таким образом, уже более шестидесяти лет одно маленькое изобретение продолжает двигать технологии вперёд, постоянно поднимая их на новый уровень. И уже, наверное, невозможно представить, как выглядел бы мир без этого маленького устройства.
Рассчитать
номинальные значения резисторов исходя из заданного
положения рабочей точки в классе А (
) и ее нестабильности S,
при напряжении источника питания схемы
, типа транзистора VT1,
для схемы на рис.1.
Определить узловые потенциалы в схеме. Построить передаточную
характеристику схемы на участке база-коллектор транзистора ) и нанести на нее
рабочую точку. Обозначить на характеристике области работы транзистора.
Оценить расчетным путем основные малосигнальные параметры
рассматриваемой схемы .
Определить по входным и выходным вольт-амперным характеристикам транзистора области работы усилителя без нелинейных искажений.
На основе сведений о нижней граничной частоте полосы пропускания
усилителя с учетом данных о сопротивлениях нагрузки
и источника сигнала
определить емкости
разделительных и блокировочного конденсаторов
.
Построить АЧХ и ФЧХ усилителя, по которым определить граничные частоты полосы пропускания усилителя.
Построить принципиальную схему с узловыми потенциалами, передаточной, переходной, семейств входных и выходных вольт-амперных, амплитудно-частотной характеристик с помощью прикладной программы компьютерного моделирования и исследования электронных схем (Electronics Workbench, Multisim, Micro-Cap).
Сравнить результаты с полученными расчетным путем.
Рис.1 Принципиальная электрическая схема усилителя
Табл.1 Исходные данные
Iка, mВ |
S |
Eк, В |
Тип транзистора |
Fн, Гц |
Rг, кОм |
Rн, кОм |
Cн, пФ |
3 |
8 |
5 |
КТ3102Г |
1000 |
3 |
6 |
10 |
Параметры транзистора КТ3102Г.
Транзистор кремниевый, n-p-n структуры.
Табл.2 Параметры транзистора КТ3102Г
Обозначение |
Значение |
Параметр |
Bст |
400-1000 |
Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (приводится диапазон допустимых значений) |
Fгр, МГц |
150 |
Граничная частота усилителя |
Cк/Uкб, пФ/В |
8/5 |
Емкость коллекторного перехода (Cк) при напряжении на коллекторе (Uкб) |
Uкэ.нас/(Iк/Iб), В/мА/мА |
0,1/10/1 |
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ.нас) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб) |
Uбэ.нас/(Iк/Iб), В/мА/мА |
0,9/10/1 |
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uбэ.нас) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб) |
IКО, мкА |
0,5 |
Обратный ток коллектора |
IЭО, мкА |
30 |
Обратный ток эммитера |
Uэб.max, В |
30 |
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база |
Uкэ.max, В |
20 |
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер |
Iк.max, мА |
100 |
Максимально допустимый ток коллектора |
Pк.max, мВт |
300 |
Максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе |
Табл.3 Ряды номинальных значений параметров типовых радиоэлементов (ГОСТ 2825-67)
Индекс ряда |
Числовые коэффициенты, умножаемые на 10 |
Допуск, % |
|||||
Е6 |
1,0 |
1,5 |
2,2 |
3,3 |
4,7 |
6,8 |
|
Е12 |
1,0 |
1,5 |
2,2 |
3,3 |
4,7 |
6,8 |
|
1,2 |
1,8 |
2,7 |
3,9 |
5,6 |
8,1 |
|
|
Е24 |
1,0 |
1,5 |
2,2 |
3,3 |
4,7 |
6,8 |
|
1,1 |
1,6 |
2,4 |
3,6 |
5,1 |
7,5 |
|
|
1,2 |
1,8 |
2,7 |
3,9 |
5,6 |
8,1 |
|
|
1,3 |
2,0 |
3,0 |
4,3 |
6,2 |
9,1 |
|
Так как в курсовой работе будет использоваться приложение Workbench 5.12, в котором отсутствует транзистор КТ3102Г, то вместо него будем использовать его зарубежный аналог BC109C, который схож с ним по параметрам. Поэтому расчетные значения могут отличаться от значений, полученных при использовании приложения Workbench.
Задание 1
Рассчитать параметры резисторов исходя из заданного
положения рабочей точки в классе А (
) и ее нестабильности S,
при напряжении источника питания схемы
, типа транзистора VT1,
для схемы на рис.1.
Статический коэффициент усиления базового тока выбираем
равным 500.
Так как транзистор кремниевый, то контактная разность обоих
переходов равна -
значение напряжения база-эмиттер. Так как
- источник постоянного
напряжения, то схему можно упростить, убрав все конденсаторы и ненужные
резисторы. Также уберем из схемы источник переменного напряжения и получим
схему изображенную на рис.2
Рис.2 Упрощенная схема усилителя
Предположим, что транзистор находится в нормальной активной области. Учитывая, что рабочая точка находится в классе А, рассчитаем напряжение коллектора.
Для малосигнальных схем напряжение на Rэ составляет 5-30% напряжения Eк, поэтому выберем 10%.
Определим сопротивления и
, для этого рассчитаем
ток эмиттера, используя для этого коэффициент усиления эмиттерного тока,
выраженного через коэффициент усиления базового тока:
По условию β=500, тогда
Аналогично рассчитаем базовый ток:
Тогда:
Получаем:
Если пренебречь током базы, то на участке А-В протекает ток равный отношению:
Из выражений (2) и (3) следует, что
,
(4)
Найдем сопротивление базы. Для этого нам понадобится коэффициент нестабильной рабочей точки каскада, выражаемый как:
Отсюда вычислим номинал сопротивления RБ, который так же равен параллельному соединению резисторов R1 и R2.
Решая систему из уравнений (4) и (5) найдем R2 и R1
Получаем: =5267 Ом;=1662 Ом;К=750 Ом;Э=166 Ом.
Номинальные значения резисторов возьмем в соответствии с рядом Е24, тогда получим:=5250 Ом;=1650 Ом;К=750 Ом; Э=160 Ом.
Задание 2
Рассмотрим узловые потенциалы в схеме. Построить передаточную характеристику
схемы на участке база-коллектор транзистора ) и нанести на нее
рабочую точку. Обозначить на характеристике области работы транзистора.
Рассмотрим узловые потенциалы в схеме изображенной на рис.3.
Рис.3 Схема для нахождения потенциалов
Найдем разность потенциалов на эмиттере:
однокаскадный усилитель биполярный транзистор
Найдем разность потенциалов на базе:
Найдем разность потенциалов на коллекторе:
Получили узловые потенциалы:
;
;
.
Для построения передаточной характеристики воспользуемся
приложением Workbench 5.12. Для того чтобы построить зависимость , нужно в схеме
поставить два вольтметра: первый - для снятия потенциала базы, ставится между
базой и “землей”, второй - для снятия потенциала коллектора, ставится между
коллектором и “землей”. Так же для того, чтобы регулировать потенциал базы в схему
вводят источник ЭДС подсоединенный к базе (Рис.4).
Рис.4 Схема для снятия передаточной характеристики
Табл.4
|
5,013 |
5,011 |
4,23 |
3,46 |
2,75 |
2,07 |
0,97 |
1,82 |
2,63 |
3,54 |
|
0 |
0,48 |
0,82 |
1,07 |
1,25 |
1,43 |
1,52 |
2,53 |
3,24 |
4,12 |
Рис.5 Передаточная характеристика
На передаточной характеристике (рис. 5) показана рабочая точка
(РТ) соответствующая значениям:
Задание 3
Оценить расчетным путем основные малосигнальные параметры
рассматриваемой схемы . А также при какой амплитуде
входного сигнала в схеме возникнут нелинейные искажения.
Рис.6 Эквивалентная схема усилителя
Исходные данные:
;
.
Для транзистора сопротивление p-n перехода составляет:
Принимаем
Рассчитаем входное сопротивление в схеме с общим эмиттером:
Рассчитаем коэффициент усиления по току:
Найдем сопротивление , когда нагрузка
включена параллельно с сопротивлением коллектора:
Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:
Рассчитаем коэффициент усиления по мощности:
Рассчитаем входное сопротивление схемы:
Рассчитаем выходное сопротивление схемы:
Рассчитаем :
Задание 4
Необходимо узнать при какой амплитуде входного сигнала в схеме
возникнут нелинейные искажения. Амплитуда выходного сигнала не может быть
больше, чем .
Найдем действующее значение амплитуды входного сигнала:
Построим выходные ВАХ транзистора - (берем
из справочника в электронном виде) (Рис.7).
Рис.7 Выходные ВАХ транзистора
На выходных ВАХ транзистора нанесем рабочую точку, а так же нагрузочную прямую по постоянному (А-Б) и переменному току.
Нагрузочную прямую по постоянному току построим по двум крайним случаям.
Первый случай (А): транзистор полностью открыт
Второй случай (Б): транзистор полностью закрыт
Для того чтобы построить рабочую точку на ВАХ следует провести
прямую на уровне до пересечения со статической
нагрузочной прямой. Это пересечение и будет являться рабочей точкой.
Прямая по переменному току имеет наклон и проходит через рабочую
точку. Так как масштаб оси OY в мили Амперах то полученное значение α надо умножить на 1000.
Задание 5
На основе сведений о нижней граничной частоте полосы пропускания
усилителя с учетом данных о сопротивлениях нагрузки
и источника сигнала
определить емкости
разделительных и блокировочного конденсаторов
.
Учитывая, что
;
;
.
Найдем емкости разделительных (Cp1 и Cp2) и блокировочного (Сбл) конденсаторов.
При расчете постоянной времени τ для каждого из конденсаторов будем учитывать только данный конденсатор, считая, что другие конденсаторы заменяют соответствующие точки в схеме.
Получим следующие эквивалентные схемы для расчета постоянных времени.
Рис.8 Эквивалентные схемы для определения постоянных времени
а) ; б)
; в)
Для начала рассчитаем постоянную времени для нижней частоты:
Примем, что все постоянные времени равны между собой:
Рассчитаем значения и
, а также
:
Получаем:
Номинальные значения резисторов возьмем в соответствии с рядом E24,тогда получаем:
Задание 6
Построить АЧХ и ФЧХ усилителя, по которым определить граничные частоты полосы пропускания усилителя.
Вычислим верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя.
Для этого нам понадобится параметр при
.
Верхняя граничная частота любого усилительного каскада определяется по формуле (8).
Коэффициент G для каскада с общим эмиттером определяется по формуле (10).
Определим - среднее время жизни
неосновных носителей заряда в базе:
Определим эквивалентную емкость коллекторного перехода :
- емкость перехода при
нулевом смещении;
- контактная разность
потенциалов, которая равна 0,7 В;
- напряжение на
переходе.
Найдем ширину полосы пропускания:
Построим АЧХ и ФЧХ для однокаскадного усилителя. Для этого воспользуемся приложением Workbench 5.12. В схему надо добавить генератор импульсов (Function Generator), а так же надо подключить Bode Plotter в схему таким образом, чтобы вход его был подключен к одному из зажимов на входе схемы, а выход к одному из зажимов выхода схемы (Рис.9).
Рис.9 Схема для построения АЧХ и ФЧХ
Далее выбирается закладка Analyse -> Display Graph, где выводятся АЧХ и ФЧХ (Рис.10).
Рис.11 АЧХ и ФЧХ
Заключение
В ходе проделанной курсовой работы произведены расчеты основных
параметров однокаскадного усилителя BC109C. Определили сопротивления резисторов
, входящих в схему,
емкости разделительных Cp1 и Cp2 и блокировочного конденсатора Сбл. А также
малосигнальные параметры схемы Kuo, Kio, Kp, Rвх, Rвых.
Расчет линейной системы автоматического управления с корректирующим звеном
Цель
курсовой работы - получить навыки расчета линейных систем автоматического
управления с корректирующим звеном.
В
соответствии с заданием необходимо разработать следящую систему,
...
Генератор LC типа
Генератор сигналов - это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические х ...
Методы коммутации информации данных в сетях ЭВМ
Коммутация
- процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.
Коммуникационные
сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут
в ...