КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине:
«Электротехника, электроника
и схемотехника»
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 4
I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ 5
1.1 Типы
усилителей 6
1.2 Основные характеристики и
параметры 8
II ТРАНЗИСТОРЫ 10
2.1 Классификация
10
2.2 Схемы включения транзисторов 12
2.3 Статистические характеристики биполярных
транзисторов 13
III УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 17
3.1 Режимы
работы 17
3.2 Каскад
с общим эмиттером 20
3.3 Основные
расчетные формулы 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26
ПРИЛОЖЕНИЕ 27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Данная курсовая работа подводит
итог в изучении дисциплины «Электротехника,
электроника и схемотехника». Целью работы
является получение опыта разработки
и расчета основных характеристик усилительных
каскадов, в развитии навыков информационного
поиска, пользования справочной литературой.
В современной электронике
все большая роль отводится использованию
достижений цифровой и аналоговой микросхемотехники.
Устройства на микросхемах стали проникать
даже в те области, где ранее никому не
приходило в голову их использовать из-за
явно большей себестоимости по сравнению
с простейшими транзисторными цепочками.
Несмотря на это все еще остаются сферы,
где применение дискретных элементов
по-прежнему популярно, а иногда и неизбежно.
Кроме того, знание способов включения
и режимов работы транзисторов, а также
методик построения и анализа транзисторных
схем является обязательным для любого
инженера, даже если ему и не приходится
в реальной жизни проектировать схемы.
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ
РАБОТУ
В ходе выполнения данной курсовой
работы необходимо изучить усилители
и транзисторы. Затем необходимо разработать
схему каскадного усилителя с общим эмиттером.
Произвести расчеты по данным формулам
и построить АЧХ характеристику для данного
каскада.
Исходные данные:
Eк |
EМвх |
Rк |
Rн |
Rэ1 |
rб |
Rг |
Rэ2 |
Ru |
Rб1 |
Rб2 |
Сp1 |
Сp2 |
Сэ |
Imax |
β |
В |
МВ |
кОм |
кОм |
Ом |
Ом |
Ом |
Ом |
кОм |
кОм |
кОм |
мкФ |
мкФ |
мкФ |
мкА |
- |
15 |
20 |
6 |
10 |
400 |
300 |
150 |
600 |
10 |
100 |
12 |
15 |
20 |
100 |
10 |
80 |
I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
Усилитель — элемент системы
управления (или регистрации и контроля),
предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для
срабатывания исполнительного
механизма (или регистрирующих
элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других
характеристик входного сигнала.
Очень широкое применение в
современной технике имеют усилители,
у которых как управляющая, так и управляемая
энергия представляет собой электрическую
энергию. Такие усилители называют усилителями
электрических сигналов.
Управляющий источник электрической
энергии, от которого усиливаемые электрические
колебания поступают на усилитель, называют
источником сигнала, а цепь усилителя,
в которую эти колебания вводятся - входной
цепью или входом усилителя. Источник,
от которого усилитель получает энергию,
преобразуемую им в усиленные электрические
колебания, называется основным источником
питания. Устройство, являющееся потребителем
усиленных электрических колебаний, называют
нагрузкой усилителя или просто нагрузкой;
цепь усилителя, к которой подключается
нагрузка, называют выходной цепью или
выходом усилителя.
Усилители электрических сигналов,
применяются во многих областях современной
науки и техники. Особенно широкое применение
усилители имеют в радиосвязи и радиовещании,
радиолокации, радионавигации, радиопеленгации,
телевидении, звуковом кино, дальней проводной
связи, технике радиоизмерений, где они
являются основой построения всей аппаратуры.
Кроме указанных областей техники,
усилители широко применяются в телемеханике,
автоматике, счетно-решающих и вычислительных
устройствах, в аппаратуре ядерной физики,
химического анализа, геофизической разведки,
точного времени, медицинской, музыкальной
и во многих других приборах.
1.1 Типы усилителей
Усилители делятся на ряд типов
по различным признакам.
По роду усиливаемых электрических
сигналов усилители можно разделить на
две группы:
- усилители гармонических сигналов,
предназначенные для усиления периодических
сигналов различной величины и формы,
гармонические составляющие которых изменяются
много медленнее длительности устанавливающихся
процессов в цепях усилителя.
- усилители импульсных сигналов,
предназначенные для усиления непериодических
сигналов, например непериодической последовательности
электрических импульсов различной величины
и формы.
По ширине полосы и абсолютным
значениям усиливаемых частот усилители
делятся на ряд следующих типов:
- усилители постоянного тока
или усилители медленно меняющихся напряжений
и токов, усиливающие электрические колебания
любой частоты в пределах от низшей нулевой
рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
- усилители переменного тока,
усиливающие колебания частоты от низшей
границы до высшей, но неспособные усиливать
постоянную составляющую сигнала.
- усилители высокой частоты
(УВЧ), предназначенные для усиления электрических
колебаний несущей частоты, например принимаемых
приемной антенной радиоприемного устройства.
- усилители низкой частоты (УНЧ),
предназначенные для усиления гармонических
составляющих непреобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.
По характеру зависимости коэффициента
усиления усилителя от частоты различают:
- Резонансные усилители, у которых
усиление изменяется с частотой сигнала
по кривой, связанной с законом изменения
сопротивления параллельного резонансного
контура.
- Полосовые усилители, у которых
усиление почти постоянно в определенной
узкой полосе частот и резко падает за
ее пределами; резонансные усилители и
полосовые усилители с узкой полосой рабочих
частот также называют избирательными
или селективными усилителями.
- Широкополосные усилители,
усиливающие очень широкую полосу частот,
порядка нескольких мегагерц и больше.
Из трех типов транзисторных
каскадов для усиления напряжения пригодны
два: каскад с общей базой и каскад с общим
эмиттером. Каскад с общим коллектором
может быть применен в многокаскадных
системах, однако непосредственного усиления
напряжения такой каскад не дает и выполняет
вспомогательную роль.
1.2 Основные характеристики
и параметры
- Основной параметр – коэффициент усиления:
(1)
(2)
(3)
- Входное сопротивление по переменному
току:
(4)
- Эквивалентное выходное сопротивление:
(5)
Амплитудная
характеристика
Uвых = f(Uвх)w=const
Рисунок 1. Амплитудная характеристика
усилителя
1 – область внутренних
шумов усилителя. Даже при отсутствии
входного сигнала на выходе
присутствует хаотический шумовой
сигнал. Шумы обусловлены температурными
шумами элементов (тепловой шум),
дискретной природой электричества
(квантовый), избыточными шумами
АЭ. Внутренние шумы ограничивают
возможность усиления слабых
сигналов снизу. Для уменьшения
тепловых шумов активные элементы
охлаждают (жидким гелием, азотом).
2 – область линейного
усиления. Uвх = kuUвх, tga Þ ku
3 – область ограничения
выходного сигнала (нелинейных искажений
выходного сигнала). Ограничение
обусловлено либо мощностью источника
питания, либо нелинейностью ВАХ
активного элемента.
II ТРАНЗИСТОРЫ
Транзистор – радиоэлектронный компонент
из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий
входным сигналом управлять током в электрической
цепи. Обычно используется для усиления,
генерации и преобразования электрических
сигналов. В общем случае транзистором
называют любое устройство, которое имитирует
главное свойство транзистора - изменения
сигнала между двумя различными состояниями
при изменении сигнала на управляющем
электроде.
В полевых и биполярных транзисторах
управление током в выходной цепи осуществляется
за счёт изменения входного напряжения
или тока. Небольшое изменение входных
величин может приводить к существенно
большему изменению выходного напряжения
и тока. Это усилительное свойство транзисторов
используется в аналоговой технике. В
настоящее время в аналоговой технике
доминируют биполярные транзисторы (БТ).
2.1 Классификация транзисторов
По основному
полупроводниковому материалу:
Помимо основного полупроводникового материала,
применяемого обычно в виде монокристалла,
транзистор содержит в своей конструкции
легирующие добавки к основному материалу,
металлические выводы, изолирующие элементы,
части корпуса (пластиковые или керамические).
Иногда употребляются комбинированные
наименования, частично описывающие материалы
конкретной разновидности (например, «кремний
на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»).
Однако основными являются транзисторы
на основе кремния, германия, арсенида галлия.
Другие материалы для транзисторов до
недавнего времени не использовались.
В настоящее время имеются транзисторы
на основе, например, прозрачных полупроводников
для использования в матрицах дисплеев.
Перспективный материал для транзисторов —
полупроводниковые полимеры. Также имеются
отдельные сообщения о транзисторах на
основе углеродных нанотрубок,
о графеновых полевых транзисторах.
По структуре:
- n-p-n структуры, «обратной проводимости».
- p-n-p структуры, «прямой проводимости».
В биполярном транзисторе носители
заряда движутся от эмиттера через
тонкую базу к коллектору. База отделена
от эмиттера и коллектора p–n переходами. Ток протекает через транзистор
лишь тогда, когда носители заряда инжектируются
из эмиттера в базу через p–n переход. В
базе они являются неосновными носителями
заряда и легко проникают через другой
pn переход между базой и коллектором, ускоряясь
при этом. В самой базе носители заряда
движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна
быть достаточно тонкой. Управления током
между эмиттером и коллектором осуществляется
изменением напряжения между базой и эмиттером,
от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.
- с p-n переходом.
- с изолированным
затвором — МДП-транзистор.
В полевом транзисторе ток протекает
от истока до стока через канал под затвором.
Канал существует в легированном полупроводнике
в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она
не может проводить ток. Преимущественно
под затвором существует область обеднения,
в которой тоже нет носителей заряда благодаря
образованию между легированным полупроводником
и металлическим затвором контакта Шоттки.
Таким образом, ширина канала ограничена
пространством между подложкой и областью
обеднения. Приложенное к затвору напряжение
увеличивает или уменьшает ширину области
обеднения и, тем самым, ширину канала,
контролируя ток.
- Разновидности транзисторов:
- Однопереходные (Двухбазовый диод)
- Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона)
- Многоэмиттерные транзисторы
- Баллистические
транзисторы
- Одномолекулярный транзистор
- По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
- Маломощные транзисторы до 100 мВт
- Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт
- Мощные транзисторы (больше 1 Вт).