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	Расчет усилителя напряжения на биполярном транзисторе Исходное задание………………………………………………3 Схема усилителя напряжения. Назначение элементов и принцип работы………………………………………………………3 Расчет схемы…………………………………………..……….6
Раздел	Расчет схемы на операционном усилителе Исходное задание…………………………………………….13 Схема устройства на ОУ. Назначение элементов и принцип работы………………………………………………………………..13 Расчет схемы………………………………………………….14
Раздел	Синтез логической функциональной схемы Исходное задание……………………………………………..18 Минимизация функции……………………………………….18 Факторизация минимизированной функции………………...19 Построение функциональной схемы в булевом базисе…….20 Перевод схемы в универсальный базис………………………21 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 .

 

2. 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.

 

3. 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.

3. Расчет сопротивления нагрузки транзистора по переменному току, кОм

(1.3)

 

4. Расчет максимальной амплитуды переменного тока коллектора, мА

(1.4)

 

5. 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.

 

6. 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

8. Сопротивление резистора отрицательной обратной связи (ООС),

(1.7)

 

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

9. 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 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.

 

2. 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;