ОДОБРЕНО 1 страница

А. П. Маругин

Физические основы электроники

Методические указания

и расчетные задания

по дисциплине « Физические основы электроники »

для студентов очного и заочного обучения специальности – 130400.65 «Горное дело» специализация подготовки – «Электрификация и автоматизация горного производства»

Екатеринбург

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Методической комиссией

горно-механического факультета

«___» ____________ 2013 г.

Председатель комиссии

__________ проф. В.П. Барановский

А.П. Маругин

Физические основы электроники

Методические указания

и расчетные задания

по дисциплине «Физические основы электроники»

для студентов очного и заочного обучения специальности

130400.65 «Горное дело»

специализация подготовки – «Электрификация и автоматизация горного производства»

Издание УГГУ Екатеринбург

Маругин А. П. "Физические основы электроники". Методические указания и расчетные задания по дисциплине для студентов специальности

– 130400.65 «Горное дело» специализация подготовки – «Электрификация и автоматизация горного производства»/ А. П. Маругин. Уральский государственный горный университет:- Екатеринбург: изд. УГГУ, 2013.-36 с.

Методические указания устанавливают объем и порядок выполнения практических работ. Приведены краткая теория выполняемых практических работ и необходимые графические материалы.

Методические указания рассмотрены на заседании кафедры Электрификации горных предприятий 9.09.2013г. (протокол № 9) и рекомендованы для издания в УГГУ.

Рецензент: Х.Б. Юнусов, канд. техн. наук, доцент кафедры ЭГП УГГУ.

© Маругин А.П., 2013

©Уральский государственный

горный университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

1.Расчетное задание №1Изучение характеристик транзисторов и одиночных каскадов усиления……………………………………………... 4 1.1Цель работы ……………………………………………….. 4

1.2 Содержание расчетного задания…………………………. 4

1.3 Методические указания по выполнению расчетного задания.4

2.Расчетное задание №2 Изучение транзисторных усилителей…... 14 2.1Цель работы………………………………………………… 14

2.2Содержание расчетного задания………………………….. 14

2.3 Методические указания…………………………………… 14

3.Расчетное задание №3 Изучение мультивибратора……………... 20 3.1 Цель работы……………………………………………… 20

3.2 Содержание расчетного задания…………………………. 20

3.3 Методические указания…………………………………… 20

3.3.1Ключевой режим работы транзистора…………… 20

3.3.2 Симметричный мультивибратор………………… 22

4.Расчетное задание N4 Изучение неуправляемых выпрямителей... 27 4.1Цель работы………………………………………………… …….. 27

4.2 Содержание расчетного задания………………………………… 27

4.3 Методические указания…………………………………… 27

4.3.1 Схема однополупериодного выпрямителя……… 29

4.3.2 Схема двухполупериодного выпрямителя……… 30

4.3.3 Схема мостового выпрямителя………………….. 31

4.4.4 Схемы фильтров………………………………….. 32

5. Расчетное задание N5

5.1 Цель работы……………………………………………… 38

5.2 Содержание расчетного задания…………………………. 38

5.3 Методические указания…………………………………… 38

5.4.Пример расчёта………………………………………………… 44

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………… 46

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 1 ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ И ОДИНОЧНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

1.1 Цель работы

Изучить статические и динамические характеристики биполярных транзисторов в режиме малого сигнала.

Изучить основные характеристики и параметры одиночных каскадов усиления.

1.2. Содержание расчетного задания

1.2.1. В соответствии с номером варианта определите тип транзистора по табл. 1.1., а из справочников спишите параметры и срисуйте на кальку характеристики транзистора.

1.2.2. По заданным характеристикам транзисторов определите коэффициент передачи тока эмиттера, тока базы и h-параметры.

1.2.3. Для заданного транзистора определите увеличение I _кбо при возрастании температуры от комнатной до 70 °С.

1.2.4. Определите входное сопротивление усилительных каскадов по схемам с ОЭ и ОК без учета сопротивления делителя напряжения в цепи базы.

1.2.5. Определите выходное сопротивление усилительных каскадов по схемам с ОЭ и ОК.

1.2. 6. Определите значение коэффициентов усиления каскадов с ОЭ по напряжению, току и мощности.

1.3. Методические указания по выполнению расчетного задания

Для выполнения расчетного задания необходимо срисовать на кальку семейство входных и выходных характеристик транзистора (рис. 1.1, б и 1.1, в), соответствующего варианту задания, приведенных в справочнике.

Расчет выполняется для режима малого сигнала не вызывающего искажения усиливаемого сигнала, т.е. режима А усилителя.

При подаче сигнала U _вх на базу транзистора усилителя, с напряжением питания U _кэ2 (рис. 1.1,а) будет изменяться ток базы вверх и вниз от рабочей точки (РТ), которая в статическом режиме работы транзистора располагается обычно на середине линейного участка его входной характеристики (рис. 1.1,б).

а б

в

Рис.1.1. Динамический режим работы транзистора

а) упрощенная схема усилительного каскада;

б) входные характеристики;

в) выходные характеристики.

Изменение тока базы i _вх вызывает изменение тока коллектора транзистора i _вых, что вызывает изменение падения напряжения на нагрузке усилительного каскада, т.е. изменение U _вых (рис. 1.1,в), которое больше U _вх на величину коэффициента усиления. Такой режим работы транзистора и усилительного каскада называется динамическим. Если при этом i _вх, i _вых и U _вых не изменяют своей формы, то такой режим работы принято называть режимом А.

Типы транзисторов по вариантам Таблица 1.1

№ Варианта	Тип транзистора	№ Варианта	Тип транзистора
	2Т 306		КТ 371
	КТ 3102		КТ 372
	КТ 3107		КТ 377
	КТ 3108		КТ 378
	КТ 3109		КТ 379
	КТ 312		КТ 380
	КТ 313		КТ 382
	КТ 314		КТ386
	КТ 315		КТ 388
	КТ 316		КТ 397
	КТ 318		КТ 399
	КТ 325		КТ 201
	КТ 326		КТ 203
	КТ 339		КТ 206
	КТ 345		КТ 208
	КТ 347		КТ 209
	КТ 349		КТ 215
	КТ 351		КТ 224
	КТ 352		КТ 317
	КТ 354		КТ 319
	КТ 355		КТС 393
	КТ 360		КТ 324
	КТ 361		КТ 350
	КТ 363		КТ 368
	КТ 364		КТ 337

Изучение статических и динамических характеристик биполярного транзистора проведем на примере каскада с ОЭ (рис. 1.1,а) с использованием входных и выходных характеристик транзистора (рис. 1.1,б и 1.1,в) скопированных на кальку.

Эквивалентная схема транзистора по постоянному току для активного режима приведена на рис. 1.2.

Если транзистор открыт и через него протекает ток I _э, то в цепи коллектора будет протекать несколько меньший ток I _к, поскольку часть инжектированных носителей рекомбинирует в базе. Соотношение токов в транзисторе имеет вид:

Рис. l.2. Эквивалентная схеме транзистора по постоянному току

Рис. 1.3. Схема замещения транзистора для системы h- параметров

, (1.1)

где - интегральный коэффициент передачи тока эмиттера, связывающий между собой полные токи I _к и I _э;

I _кбо - обратный ток коллектора.

Уравнение (1.1) приближенно описывает выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ.

Уравнение для выходных ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно получить из уравнения (1.1), выполнив подстановку

, (1.2)

С учетом (1.2)

, (1.3)

, (1.4)

или

, (1.5)

где - коэффициент передачи тока базы.

В динамическом режиме работы транзистора нагрузочное сопротивление (R _н) может быть активным или комплексным. При этом падение напряжения на транзисторе U _кэ является функцией тока коллектора

, (1.6.)

Ток коллектора при динамическом режиме в свою очередь определяется не только током базы, но зависит и от напряжения U _кэ.

, (1.7.)

Для получения данных для расчета U _кэ и I _к на кальке с семейством выходных характеристик транзистора необходимо провести линию нагрузки АВ. Точку В откладывают на оси U _кэ при U _кэ=12 В.

Вторая точка, для проведения линии нагрузки, берется на середине перегиба вольтамперной характеристики с максимальным током базы. Далее линия нагрузки проводится до оси I _к, т.е. до I _к.max. Через значение I _К и U _КЭР определяется R _к. Расчет ведется в основных единицах.

, (1.8.)

Транзистор является нелинейным элементом, так как его характеристики определяются нелинейными зависимостями между токами и напряжениями. Однако, если входной сигнал по амплитуде меньше по сравнению с постоянным напряжением в точке покоя, то в некоторой области статических ВАХ связь между токами и напряжениями можно считать линейной. В этом режиме, называемом режимом малого сигнала, транзистор можно представить в виде четырехполюсника, основные свойства которого соответствуют общей теории электрических цепей. При этом транзистор считается линейным усилительным элементом.

На рис. 1.3 показана схема замещения транзистора для системы h - параметров.

, (1.9)

, (1.10)

где , U ₂= 0 - входное сопротивление при к.з. по переменному току на выходе четырехполюсника;

, I ₁ = 0 - коэффициент обратной связи по напряжению в режиме х.х. на входе четырехполюсника;

, U ₂ = О - коэффициент передачи тока при к.з. на выходе четырехполюсника;

, I ₁ = 0 - выходная проводимость в режиме х.х. на входе четырехполюсника;

h параметры могут быть рассчитаны по характеристикам семейства входных характеристик транзистора снятых при различных значениях напряжений на коллекторе. Обычно, U _кэ1»0, а U _кэ2 равно рабочему напряжению каскада. Для расчета h ₁₁ на линейном участке характеристики имеющим большую скоростью роста тока I _б и снятой при U _кэ2, ставят три точки А,D,С (рис. 1.4,а). Точка А берется на нижнем отрезке линейного участка, точка С на верхнем отрезке участка, а на его середине точка D, соответствующая исходному рабочему режиму (в дальнейшем называем ее «рабочей точкой»).

Рис. 1.4. Определение h - параметров графо-аналитическим методом.

Из точек А и С проводят прямые параллельные осям U _бэ и I _б, а их пересечение обозначают буквой В. Из треугольника АВС получают данные для определения h _11э. При расчетах U и I брать в вольтах и амперах.

, (1.11)

Для определения h ₁₂ необходимо найти приращение напряжения на базе в рабочей точке при увеличении U _кэ от U _кэ1 до U _кэ2. Рабочая точка сместится от D до E, т.е. на D U _бэ2, при этом

, (1.12)

По выходным характеристикам транзистора (рис. 1.4,б) можно определить параметры h _21Э и h _22Э, при величине рабочего напряжения на коллекторе U _кэр=12 В.

Для определения h_21Э из точки пересечения нагрузочной прямой с характеристикой снятой при токе базы I _б²= I _брт, т.е. точки О проводим прямую параллельную оси I _к. На ее пересечении с характеристикой I _б¹ берем точку D, а на пересечении с характеристикой при токе I _б³ берем точку Е. Проекции от D и Е на ось I _к позволят определить величину выходного тока D I _к1. Проекция точки О на ось I _к дает величину тока транзистора I _ко в статическом, т.е. исходном режиме.

Через приращение D I _к1 и D I _б= I _б³- I _б¹ определяется

, (1.13)

Для определения параметра h ₂₂ на концах линейного участка характеристики с I _б2= I _брт ставим точки А и В. Точка В берется при U _кэ=12 В. Из точек А и В делаем сноски на оси I _к и U _кэ. При этом получается треугольник АВС. Катет ВС соответствует приращению тока D I _к2, а катет АС приращению напряжения D U _кэ, т.е.

, (1.14)

Точность определения параметров графо-аналитическим способом невелика.

Между h - параметрами разных схем включения и физическими параметрами транзистора существует однозначная связь, определяе­мая соотношениями, приведенными в табл. 1.2. В этой таблице в ка­честве примера даны численные значения параметров маломощного транзистора при I _э = 1,3 мА. Так как направления токов в четырех­полюснике и в схемах включения транзисторов не совпадают, то ма­тематические величины коэффициентов передачи тока (h _б и h _к) для схем с ОБ и с ОК имеют отрицательные значения, хотя это про­тиворечит их физическому смыслу.

Изменение температуры транзистора влияет на обратный ток с коллектора на базу I _кбо.

С увеличением температуры обратный ток коллектора (I _кбо) увеличивается в соответствии с зависимостью

, (1.15)

где I _кон - значение I _кбо при температуре t° _н (определяется по справочнику);

t° - температура равная 70 градусов, при которой надо определить I _кбо.

Входное сопротивление усилительного каскада определяется по формуле:

, (1.16)

где U _вх - напряжение на зажимах Б-Э, I _вх - ток базы.

Учитывая, что через сопротивление r _б протекает ток I _б, а через сопротивление r _э ‑ ток I _э = (1 +b) × I _б, получаем для схемы с ОЭ ( рис1.1,а ):

U _вх = I _б × r _б + (1+ b) × I _б × r _б = I _б × r _б + (1+ b) × r _э, (1.17)

R _вх = r _б + (1+ b) × r _э, (1.18)

В схеме с ОК последовательно с r _э подключено внешнее сопротивление R _э. Входное сопротивление схемы с ОК

R _вx.oк = r _б + (1+ b) × (r _э+ R _э), (1.19)

Значения физических параметров, необходимые для расчета R _вx определяются по таблице 1.2 в следующей последовательности прировняв левую и правую части:

1) по h _22э найти r _к;

2) по h _12э найти r _э;

3) по h _11э найти r _б.

Выходное сопротивление усилительного каскада по схеме с ОЭ рассчитывается по формуле:

, (1.19)

Двойная косая черта // указывает на параллельное соединение R _к и 1/ h _22э. R _к определяется оп параметрам точек построения нагрузочной диаграммы т.е. точек А и В на рисунке 1.1.в

Связь физических параметров транзистора с h - параметрами Таблица 1.2

Параметры четырёхполюсника	Физические параметры
h 11э
h 12э
h 21э
h 22э

R _к = U _кэр/ I _kmax, (1.20)

Выходное сопротивление каскада по схеме с ОK рассчитывается по формуле:

, (1.21)

Для всех вариантов принять R _Г = 450 Ом.

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отноше­ние напряжения U _вых на нагрузке к U _вх.
, (1.22)

В идеальном усилителе напряжения (R _Г<< R _ВХ), работающем в режиме холостого хода (R _H= ∞), коэффициент усиления будет макси­мальным и равным:

, (1.23)

Коэффициент усиления по току к _i можно найти, заменив генератор ЭДС Е _г, включенный последовательно с сопротивлением R _г, генерато­ром тока I _г, включенном параллельно с сопротивлением R _г

, (1.24)

, (1.25)

, (1.26)

В идеальном усилителе тока (R _г>> R _ВХ), работающем в режиме короткого замыкания (R _Н=0), имеем:

K _i.кз = - b, (1.27)

Коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле

К _р = K _u × K _i, (1.28)

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 2

ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

2.1. Цель работы

2.1.1. Изучить влияние элементов схемы усилителей на режим ра­боты транзисторов.

2.1.2. Научиться производить расчет усилителей с использовани­ем характеристик транзисторов.

2.2. Содержание расчетного задания

2.2.1. Выполнить расчет однокаскадного усилителя (рис. 2.1) с использованием характеристик транзистора указанного в индивидуальном задании к работе N 1.

2.2.2. При расчете необходимо определить значения R _K, R 1, R 2, R _э, обеспечивающие работу усилителя в классе А и значения С1, С2, Сэ, обеспечивающее коэффициент частотных искажений М _н = 1,1.

2.2.3. Определить M _в и КПД усилителя для случая работы в классе А и классе В, а также сопротивление нагрузки R _н, обеспечивающее максимум мощности, отдаваемой в нагрузку.

2.2.4. Рассчитать коэффициент усиления, R _вx и R _выx для каскада с последовательной и параллельной обратной связью по току и напря­жению.

2.2.5. Изучить схемы усилителей, приведенные на рис. 2.4 и оп­ределить тип обратной связи.

2.3. Методические указания

Для расчета элементов схемы однокаскадного усилителя работающего в режиме А необходимо использовать рассмотренные в работе 1 входные и выходные характеристики транзистора и полученные по ним значения I _б0, U _б0, I _к0, I _кm и U _кm. Для задания положения рабочей точки на середине линейного участка входной характеристики необходим источник напряжения смещения, обычно для этого используют делитель напряжения Е _к на резисторах. В схеме усилителя приведенной на рис. 2.1 делитель выполнен на резисторах R 1 и R 2.

При изменении температуры транзистора за счет обратного тока с цепи коллектора в базу I _кбо положение рабочей точки будет изменяться, что при усилении сигнала вызовет его искажение. Для термостабилизации положения рабочей точки в цепь эммитера транзистора включают резистор R _э. Ток эммитера протекающий через R _э создает на нем падение напряжения,

Рис. 2.1. Однокаскадный усилитель по схеме с ОЭ

Рис. 2.2. Эквивалентная схема усилителя в области низких частот

Рис. 2.3. Эквивалентная схема усилителя в области высших частот

которое через R 2 подается на базу транзистора и возвращает рабочую точку на середину линейного участка входной характеристики.

Для расчета делителя R 1, R 2 необходимо взять ток делителя в 5-10 раз большим тока I _б0, чтобы изменяющийся ток базы транзистора не влиял на U _бо. Можно ток делителя рассчитать и по паспортным данным транзистора через I _к.max и h₂₁ = b. По этим данным определяют I _бmax, используя уравнение

, (2.1)

Ток делителя рассчитывают по формуле

, (2.2)

Параметры делителя рассчитываются по формулам

, , (2.3)

где Е 1=12 В.

Термостабилизирующее сопротивление R _э определяют из условия

, (2.4)

Емкость блокирующего конденсатора С _э, устраняющего отрицательную обратную связь по переменному току, определяется из условия

, (2.5)

где Х _сэ - сопротивление емкости на низшей частоте усиливаемого сигнала (20 Гц). Х _сэ= 2 πfС _э. Отсюда С _э= Хс _э/2 πf.

В безтрансформаторных многокаскадных усилителях широкое распространение полу­чили схемы с емкостной связью (рис. 2.1).

Каскад такого типа содержит переходные конден­саторы С 1 и С 2. Конденсатор С 1 изолирует источник сигнала Е _г от вхо­да каскада по постоянному току и соединяет их по переменной сос­тавляющей. Конденсатор С 2 выполняет аналогичные функции по отно­шению к выходу каскада и нагрузке R _н. Емкости этих конденсаторов оказывают влияние на работу каскада в области низших частот и при передаче вершины импульсов.

Упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада в об­ласти низших частот приведена на рис. 2.2.

Величина емкости С 1 определяется исходя из допустимого зна­чения коэффициента частотных искажений (на низшей частоте), ко­торый определяется выражением:

,

где К _ио - коэффициент усиления на средних частотах;

К _ин - тоже на низшей частоте усиливаемого сигнала;

τ _Н - постоянная времени входной цепи каскада в области низ­ших частот.

τ _Н = С 1 × (R _Г + R _вхоэ), (2.6)

где R _Г - внутреннее сопротивление источника сигнала (при расчётах принять R _Г = 450 Ом).

R _вх = R _вхоэ // R 1 // R 2, (2.7)

R _вх эквивалентно параллельно включенным R 1, R 2 и R _вх.

Дата добавления: 2015-07-02