Реферат: Основы радиоэлектроники и схемотехники
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Контрольная работа по курсу
«Основы радиоэлектроники и схемотехники»
2009
Задание 1
Дано:
Uвых = 10 В
Iн = 40 мА
DUвых = 10 мВ
Рассчитать стабилизированный источник питания с мостовой схемой выпрямителя.
Решение:
1. Выберем стабилитрон VD5исходя из следующих условий:
U ст = U вых
I ст > I н
Данным условиям удовлетворяет стабилитрон КС510А, параметры которого приведем в таблице 1.
Таблица 1
Uст, В | Iстmin, мА | Iстmax, мА | rст, Ом | aUст, %/0C |
10 | 1 | 79 | 20 | +0,08 |
2. Так как ток Iн = 40 мА, то зададимся коэффициентом стабилизации Kст = 60.
3. Определим амплитуду пульсаций на входе стабилизатора
K ст = D U вхст/ D U вых
D U вхст = K ст × D U вых = 60 × 0,01 = 0,6 (В)
4. Определим сопротивление гасящего резистора, обеспечивающее требуемый коэффициент стабилизации:
Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rг, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления имеет резистор с номиналом 1,2 кОм.
5. Определим рабочий ток стабилитрона:
I ст min £ I ст £ ( I ст max - I н)
I ст = 79-40 = 39 (мА)
6. Определим ток гасящего резистора:
I г = I ст + I н = 39 + 40 = 79 (мА)
7. Определим сопротивление нагрузки:
Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rн, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления имеет резистор с номиналом 240 Ом.
8. Необходимое постоянное напряжение на входе стабилитрона равно:
U вхст = U вых + I г R г = 10 + 0,079 × 1200=94,8 (В)
9. Рассчитаем температурный уход выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры на +500.
10. Результаты расчета сведем в таблицу 2
Таблица 2
Тип стабилитрона | Uвхст, В | DUвхст, мВ | Uвых, В | DUст, мВ | DUвых, мВ | Iст, мА | Iг, мА | Кст | Rн, Ом | Rг, Ом |
КС510А | 94,8 | 600 | 10 | 400 | 10 | 39 | 79 | 60 | 240 | 1200 |
11. Для расчета выпрямителя исходными данными являются следующие рассчитанные параметры стабилизатора:
U выхвыпр = U вхст = 94,8 (В)
D U выхвыпр = D U вхст = 0,6 (В)
I нвыпр m = I г = 79 (мА)
12. Определим амплитуду входного напряжения выпрямителя:
U вх m = U вхст + D U вхст + U пр,
где Uпр – падение напряжения на прямосмещенном диоде выпрямителя.
Примем падение напряжения на одном диоде Uпр = 1 В. Поскольку в мостовой схеме два прямосмещенных диода включенных последовательно, то падение напряжения будет равно 2 В. Отсюда амплитуда входного напряжения выпрямителя равна:
U вх m = 94,8 + 0,6 + 2 » 98 (В)
13. Рассчитаем емкость конденсатора, при этом частоту входного напряжения примем равной f=50Гц:
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C, ближайшим к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 1500 мкФ.
14. Определим амплитуду обратного напряжения на диоде для мостовой схемы:
Um обр = U вх m = 98 (В)
15. По рассчитанным параметрам выберем диоды для схемы выпрямителя причем:
I нвыпр m < I пр max
Um обр < U обр max
Результаты расчета сведем в таблицу 3.
Таблица 3
Тип диода | С, мкФ | Umобр, В | Uвхm, В |
КД226А | 1500 | 98 | 98 |
Задание 2
Усилительный каскад с ОЭ
Решение:
1. Для обеспечения стабилизации рабочей точки падение напряжения на резисторе Rэ выбираем из условия:
U э = I э R э = 0,2 U кэ = 0,2 × 9 = 1,8 (В)
2. Напряжение питания для обеспечения максимального значения амплитуды неискаженного выходного сигнала выберем исходя из следующего условия:
U ип = 2 U кэ + U э = I к R к + U кэ + U э = 2 × 9 + 1,8 = 19,8 (В)
3. Сопротивления резисторов RЭ и RК находим по выражениям
R к = ( U ип — U кэ — U э ) / I к =(19,8-9-1,8)/0,008 = 1125 (Ом) ,
Rэ = Uэ/Iэ,
т.к. можно считать, что Iэ »Iк, то сопротивление Rэ будет равно:
R э » U э/ I к » 1,8/0,008 » 225 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов Rк и Rэ, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 1,1 кОм и 220 Ом соответственно.
4. Определим ток базы
I б = I к/ h 21э
Определим по справочнику коэффициент передачи по току для транзистора КТ3102А, h21э = 200…500. Пусть h21э = 300, тогда
I б = 0,008/300 » 27 (мкА)
5. Определим потенциал базы транзистора:
U б = U бэ + U э,
где напряжение база – эмиттер в рабочей точке для кремниевого транзистора можно принять Uбэ = 0,6 В.
U б = 0,6 + 1,8 = 2,4 (В)
6. Для обеспечения работоспособности схемы стабилизации задаемся током делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2, в десять раз больше, чем ток базы:
I д = 10 × I б = 10 × 27 × 10-6 = 0,27 (мА)
7. Находим сопротивления R1 и R2:
R 1 = ( U ип- U б)/( I д + I б) = (19,8 – 2,4)/(270 × 10-6 + 27 × 10-6 ) = 74747 (Ом)
R 2 = U б/ I д = 2,4/270 × 10-6 = 8888 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов R1 и R2, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 75 кОм и 9,1 кОм соответственно.
8. Определим емкости конденсаторов при выполнении которых значение коэффициента усиления по напряжению на нижней граничной частоте fн = 20 Гц уменьшается не более чем в 2 раз.
где Rвх — входное сопротивление каскада.
где — входное сопротивление транзистора
Значения DUбэ и DIб определим по входным характеристикам транзистора
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C1, ближайшим большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 68 мкФ.
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C2, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 22 мкФ.
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора Cэ, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 470 мкФ.
9. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по току:
10. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:
где rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
где Iэ0 – ток эмиттера в рабочей точке Iэ0 »Iк,
jт – тепловой потенциал равный 26 мВ.
11. Определим сквозной коэффициент усиления по напряжению:
12. Определим выходное сопротивление:
Определим выходную проводимость транзистора h22э по выходным характеристикам
|
13. Определим нижние граничные частоты при выбранных емкостях C1, C2 и Сэ:
14. Определим коэффициенты частотных искажений, обусловленных фильтрами, на частоте f=20Гц:
, где n = 1, 2, 3
Мн1 = 1,21
Мн2 = 1,23
Мн3 = 1,26
15. Определим верхние граничные частоты:
где Сэ и Ск справочные данные емкостей переходов транзистора равные 15 пФ и 6 пФ соответственно.
Скэкв = ( Ku + 1)Ск = (72,5+1)∙6∙10-12 = 441 (пФ)
(Гц)
(Гц)
16. Определим коэффициенты частотных искажений на частоте f = 20 кГц:
, где n = 1, 2
Мв1 = 1,000004
Мв2 = 1,00005.
Расчет каскада с ОБ
1. Для обеспечения стабилизации рабочей точки падение напряжения на резисторе Rэ выбираем из условия:
U э = I э R э = 0,2 U кэ = 0,2 × 9 = 1,8 (В)
2. Напряжение питания для обеспечения максимального значения амплитуды неискаженного выходного сигнала выберем исходя из следующего условия:
U ип = 2 U кэ + U э = I к R к + U кэ + U э = 2 × 9 + 1,8 = 19,8 (В)
3. Сопротивления резисторов Rэ и Rк находим по выражениям
R к = ( U ип — U кэ — U э ) / I к =(19,8-9-1,8)/0,008 = 1125 (Ом) ,
Rэ = Uэ/Iэ,
т.к. можно считать, что Iэ »Iк, то сопротивление Rэ будет равно:
R э » U э/ I к » 1,8/0,008 » 225 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов Rк и Rэ, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 1,1 кОм и 220 Ом соответственно.
4. Определим ток базы
I б = I к/ h 21э
Определим по справочнику коэффициент передачи по току для транзистора КТ3102А, h21э = 200…500. Пусть h21э = 300, тогда
I б = 0,008/300 » 27 (мкА)
5. Определим потенциал базы транзистора:
U б = U бэ + U э,
где напряжение база – эмиттер в рабочей точке для кремниевого транзистора можно принять Uбэ = 0,6 В.
U б = 0,6 + 1,8 = 2,4 (В)
6. Для обеспечения работоспособности схемы стабилизации задаемся током делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2, в десять раз больше, чем ток базы:
I д = 10 × I б = 10 × 27 × 10-6 = 0,27 (мА)
7. Находим сопротивления R1 и R2:
R 1 = ( U ип- U б)/( I д + I б) = (19,8 – 2,4)/(270 × 10-6 + 27 × 10-6 ) = 74747 (Ом)
R 2 = U б/ I д = 2,4/270 × 10-6 = 8888 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов R1 и R2, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 75 кОм и 9,1 кОм соответственно.
8. Определим емкости конденсаторов при выполнении которых значение коэффициента усиления по напряжению на нижней граничной частоте fн = 20 Гц уменьшается не более чем в 2 раз.:
где Rвх — входное сопротивление каскада включенного по схеме с ОБ;
Rвых – выходное сопротивление каскада включенного по схеме с ОБ.
R вых = R к = 1100 (Ом)
где — входное сопротивление транзистора
где rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
h21б – коэффициент передачи по току для схемы с ОБ.
где Iэ0 – ток эмиттера в рабочей точке Iэ0 »Iк,
jт – тепловой потенциал равный 26 мВ.
h 21б = I к/ I э = I к/( I к+ I б) = 8/8,027 = 0,99
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C1, ближайшим большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 22 мкФ.
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C2, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 15 мкФ.
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора Cэ, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 10 мкФ.
9. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по току:
10. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:
13. Определим нижние граничные частоты при выбранных емкостях C1, C2 и Сэ:
14. Определим коэффициенты частотных искажений, обусловленных фильтрами, на частоте f=20Гц:
, где n = 1, 2, 3
Мн1 = 1,41
Мн2 = 1,44
Мн3 = 1,4
15. Определим верхние граничные частоты:
где Сэ и Ск справочные данные емкостей переходов транзистора равные 15 пФ и 6 пФ соответственно.
Скэкв = ( Ku + 1)Ск = (71+1)∙6∙10-12 = 432 (пФ)
(Гц)
16. Определим коэффициенты частотных искажений на частоте f = 20 кГц:
, где n = 1
Мв1 = 1,0000002
Мв2 = 1,00005
Расчет каскада с ОК
Решение
1. Вычисляем максимально возможное значение амплитуды тока нагрузки, соответствующее идеальному согласованию, когда Uвых = Eг:
2. Выбираем рабочую точку БТ:
I э = 1,3 I н = 1,3 × 5,3 = 6,89 (мА)
U кэ = U э = I э R э = U ип/2 = 15/2 = 7,5 (В)
3. Сопротивление резистора Rэ находим по формуле:
Rэ = Uэ/Iэ = 7,5/0,00689 =1088 (Ом),
Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rэ, ближайшим к рассчитанным значениям сопротивления обладает резистор с номиналом 1,1 кОм
4. Определим ток базы
I б = I э/ h 21э
Определим по справочнику коэффициент передачи по току для транзистора КТ3102А, h21э = 200…500. Пусть h21э = 300, тогда
I б = 0,00689/300 » 23 (мкА)
5. Определим потенциал базы транзистора:
U б = U бэ + U э,
где напряжение база – эмиттер в рабочей точке для кремниевого транзистора можно принять Uбэ = 0,6 В.
U б = 0,6 + 7,5 =8,1 (В)
6. Для обеспечения работоспособности схемы стабилизации задаемся током делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2, в десять раз больше, чем ток базы:
I д = 10 × I б = 10 × 23 × 10-6 = 0,23 (мА)
7. Находим сопротивления R1 и R2:
R 1 = ( U ип- U б)/( I д + I б) = (15 – 8,1)/(230 × 10-6 + 23 × 10-6 ) = 27272 (Ом)
R 2 = U б/ I д = 8,1/270 × 10-6 = 30000 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов R1 и R2, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 27 кОм и 30 кОм соответственно.
8. Определим емкости конденсаторов при выполнении которых значение коэффициента усиления по напряжению на нижней граничной частоте fн = 20 Гц:
где Rвх — входное сопротивление каскада включенного по схеме с ОК;
Rвых – выходное сопротивление каскада включенного по схеме с ОК.
R вых = 17 (Ом)
где — входное сопротивление транзистора
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C1, ближайшим большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 6,8 мкФ.
Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C2, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 22 мкФ.
9. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по току:
10. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:
13. Определим нижние граничные частоты при выбранных емкостях C1, C2 и Сэ:
14. Определим коэффициенты частотных искажений, обусловленных фильтрами, на частоте f=20Гц:
, где n = 1, 2, 3
Мн1 = 1,41
Мн2 = 1,35
15. Определим верхние граничные частоты:
Ск справочные данные емкости перехода транзистора равная 6 пФ:
16. Определим коэффициенты частотных искажений на частоте f = 20 кГц:
, где n = 1, 2, 3
Мв1 = 1,000003
Мв2 = 1,00002
Мв3 = 1,000002
Задание 3
Решение:
1. По заданным Uип и Uвыхmax определим Rк
U ип экв = U ип × R н /( R к + R н ),
Rк экв = Rк × Rн /(Rк + Rн ).
Uвых max = Uип экв — Iкб0 Rк экв
Поскольку ток Iкб0 = 0,05 мкА (см. приложение 3), то выразив Rк из формул имеем:
Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rк, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления обладает резистор с номиналом 2,0 кОм.
2. По известному Rк определим Uип экв и Rк экв
Uип экв = Uип × Rн /(Rк + Rн ) = 15 × 8200/(2000+8200) = 12,06 (В),
Rк экв = Rк × Rн /(Rк + Rн) = 2000 × 8200/(2000+8200) = 1608 (Ом).
3. На семействе выходных ВАХ БТ построим нагрузочную прямую, описываемую уравнением
I к( U кэ) = ( U ип экв – U кэ) R к экв
По координатам точек пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы Iб = Iб';Iб'';…, определяются значения напряжения коллектор – эмиттер, которое является выходным Uкэ = Uвых. Далее по входной характеристике БТ Iб = f (Uбэ) при Uкэ > 0 для тех же значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер Uбэ = Uбэ';Uбэ'';… .
Входное напряжение рассчитывается согласно выражению
По известным U0вых, U1 вых и U0пор, U1 пор построим передаточную характеристику
4. Определим значения тока коллектора и базы Iкн, Iбн, соответствующие режиму насыщения, а также значение тока базы Iбm при максимальном значении входного напряжения Uвхm.
I кн = ( U ипэкв – U вых)/ R кэкв = (12,06 — 0,32)/1608 = 7,3 (мА)
I бн = ( U ипэкв — U вых)/( R кэкв × h 21э) = (12,06 – 0,32)/300 × 1608 = 24 (мкА)
S = I б m/I бн
I б m = S×Iбн = 2 × 24 = 48 ( мкА )
U вх m = 1,1 U 1 пор = 1,1 × 9 = 9,9 (В)
выпрямитель каскад коллектор резистор
5. Определим сопротивление резистора R1:
R 1 = ( U 1 пор — U пор)/ I б m = (9-2)/0,000048 = 145833 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора R1, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления обладает резистор с номиналом 150 кОм.
6. Определим сопротивление R2
U пор = ( U бэпор( R 1+ R 2)+ U см R 1)/ R 2
Выразим R2 и приняв Uбэпор = 0,6 В имеем:
R 2 = ( U бэпор+ U см) R 1/( U пор- U бэпор) = (0,6+4) × 150000/(2-0,6) = 492857 (Ом)
Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора R2, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления обладает резистор с номиналом 510 кОм.
7. Рассчитаем быстродействие транзисторного ключа:
t вкл = t вкл ln ( S /( S -1))
где t вкл – постоянная времени включения, определяемая выражениями
t вкл = t h 21э + t к
t h 21э = 1/(2 p fh 21э ) = 1/(2 p × 100 × 106 ) = 1,6 (нс)
t к = (Cк + Cн )Rкэкв = (6 × 10-12 + 0,1 × 10-9 ) × 1608 = 0,17 (мкс)
t вкл = 1,6 × 10-9 + 0,17 × 10-6 = 0,172 (мкс)
t вкл = 0,172 × ln (2) = 0,12 (мкс)
t зад выкл = ( t h 21э /2) ln (( I б+ I бобр)/( I бн+ I бобр))
I бобр = U см/ R 2 = 4/510000 = 7,8 (мкА)
I б = I кб m = 48 (мкА)
t зад выкл = 0,8 × 10-9 × ln ((48+7,8)/(24+7,8)) = 0,45 (нс)
t сп = t h 21э ln (1+ I бн/ I бобр) = 1,6 × 10-9 ln (1+24/7,8) = 2,25 (нс)
t нр U = 2,3 t к = 2,3 × 0,17 = 0,391 (мкс)