Завдання на курсовий проект з дисципліни Комп’ютерна електроніка

Зміст

1. Завдання на курсовий проект

2. Вихідні дані

3. Виконання завдання

3.1. Розрахунок резисторів

3.2. Моделювання роботи схеми на постійному струмі

3.3. Вивчення впливу зміни параметрів транзистора на роботу підсилювача.

3.4. Аналіз результатів моделювання роботи схеми на постійному струмі 

3.5. Визначення малосигнальных параметрів схеми

3.6. Розрахунок емкостей конденсаторів і верхньої граничної частоти посилення

3.7. Моделювання роботи схеми на перемінному струмі

3.8. Вивчення реакції підсилювача на імпульсний сигнал

3.9. Аналіз результатів моделювання роботи схеми на перемінному струмі 

4. Висновки

5. Список використаної літератури 

1. Завдання на курсовий проект

Розрахувати параметри резисторів, виходячи з заданого положення робочої точки в класі А () і її нестабільності ()при напрузі джерела харчування схеми (), типя транзистора (VT1), для схеми, яка зображена на рис.1. 

Рис. 1. Схема електрична принципова підсилювача

1. Використовуючи кожну з програм аналізу електронних схем, промоделювавти роботу схеми при постійному струмі. Розглянути вузлові потенціали в схемі. Побудувати передаточну характеристику схеми на ділянці база-колектор транзистора  і нанести на неї робочу точку. Позначити на характеристиці області роботи транзистора.

2. Змінити коефіцієнт підсилення по струму транзистора () в два рази і визначити, на скільки зміниться струм колектора. Проробити те ж, змінивши некерований струм колекторного переходу в десять разів.

3. Дати висновок про ступінь відповідності прогнозу, зробленого на підставі аналітичних розрахунків, і результатів моделювання по роботі схеми на постійному струмі.

4. Оцінити розрахунковим шляхом основні малосигнальні параметри розглянутої схеми, а також, при якій амплітуді вхідного сигналу в схемі виникнуть нелінійні перекручування..

5. На основі даних про нижню граничну частоту () смуги пропущення підсилювача з урахуванням даних про опори навантаження () і джерела сигналу ()визначити ємності розділових ( і ) і блокувального () конденсаторів. Спрогнозувати верхню граничну частоту () смуги пропущення підсилювача.

6. Промоделировать роботу схеми на перемінному струмі і побудувати АЧХ і ФЧХ підсилювача, по яких визначити граничні частоти смуги пропущення підсилювача.    Визначити також на основі моделювання з використанням залежного джерела сигналу вхідний() і вихідний () опори підсилювача на середній частоті.

7. Передбачити аналітично і досліджувати за допомогою моделювання реакцію підсилювача на імпульсний сигнал малої величини.

8. Провести порівняння аналітичних прогнозів поводження підсилювача при перемінному струмі з результатами моделювання і зробити необхідні висновки.

9.  Оформити звіт про пророблену роботу, у якому представити:

- вихідні дані і завдання;

- аналітичні розрахунки параметрів деталей схеми і параметрів вихідних сигналів, що характеризують її поводження при постійному і перемінному струмі;

- результати моделювання у виді роздруківок принципової схеми з вузловими потенціалами, передаточної, амплітудно-частотної, фазо-частотноі і перехідної характеристик (приведені графіки повинні бути оброблені і на них вказані параметри, що вимагаються,);  роздруківки бібліотечних параметрів транзистора VT1, джерел синусоїдального й імпульсного сигналів з поясненням яким чином усі ці параметри були призначені;

- висновки по роботі.

Приклад розрахунку курсової роботи.

2. Вихідні дані

Таблиця 1

Вихідні дані завдання на курсовий проект

Згідно ГОСТ 11 336.919-81, що встановлює систему умовних позначок сучасних типів транзисторів, KT315М - кремнієвий біполярний транзистор, відноситься до класу малопотужних (максимальна потужність, що розсіюється, не може перевищувати 0,3 Вт) із граничною частотою коефіцієнта підсилення струму більш 30 Мгц. Більш точно параметри цього транзистора визначимо, скориставшись довідником (табл. 2).

Таблиця 2

Параметри транзистора КТ315Г, взяті з довідника

3. Виконання завдання

3.1. Розрахунок резисторів

Резистори ,  і  покликані забезпечити режим роботи транзистора VT1 по постійному струмі (вивести його робочу точку в клас А), а резистор  – стабілізувати цей режим введенням послідовного негативного зворотного зв'язку по струму.

При розрахунку постійних складових використовуємо схему мал.2. При цьому не будемо враховувати зворотний струм колекторного переходу. 

Рис. 2. Спрощена схема підсилювача для розрахунку постійних складових

У відповідність з табл. 2, приймемо коефіцієнт підсилення струму.

Нехай. Тогда, где

– коефіцієнт передачі струму.

По першому закону Кірхгофа струм бази транзистора.                          

(Оскільки використовується кремнієвий транзистор, то).

Якщо підставити і в, позначив, то одержимо.          

Значення  можна знайти з умови забезпечення заданої стабільності робочої точки транзистора. Оскільки , то.

Тепер являє собою рівняння щодо опору . Вирішуючи (1.5), знаходимо. 

Бажаючи одержати, розрахуємо величину опору.

3.2. Моделювання роботи схеми при постійному струмі

Для моделювання роботи електричних схем будемо використовувати програму Electronics Workbench 5.12 Pro (як найбільш вивчену).

Параметри транзистора (рис. 3) призначимо з наступних розумінь. Для кремнієвих транзисторів типовим значенням струму насичення (Saturatіon current) при кімнатній температурі є . Як значення коефіцієнта підсилення в схемі з загальним емітером (Forward current gaіn coeffіcіent) візьмемо середнє значення (см. табл. 2 – параметр ) . Типовими значеннями коефіцієнта підсилення струму в схемі ОЭ при інверсному включенні (Reverse current gaіn coeffіcіent) і об'ємного опору бази (Base ohmіc resіstance) є відповідно  и . Ємність колекторного переходу при нульовій напрузі (Zero-bіas B-C junctіon capacіtance) візьмемо з таблиці 2 – параметр.

Рис. 1. Параметри моделі транзистора КТ315Г

Час переносу заряду через базу (Forward transіt tіme) розрахуємо як (см. табл. 2) . Час переносу заряду через базу в інверсному включенні (Reverse transit time) . Обидва переходи транзистора будемо вважати плавними, тому коефіцієнти плавності емітерного (B-E junctіon gradіng coeffіcіent) і колекторного (B-C junctіon gradіng coeffі-cіent) переходів будемо вважати рівними 0.333. Напругу Ерли (Early voltage) приймемо рівною  (см. табл. 2). Струм початку спаду посилення по струму (Forward beta hіgh-current knee-poіnt) будемо вважати рівним  (см. табл. 2).

Картина розподілу вузлових потенціалів представлена в табл. 3. Відхилення струму колектора від заданого значення , що прийнятно. 

Рис. 2. Моделювання роботи підсилювача на постійному струмі

Таблиця 3

Розподіл вузлових потенціалів у схемі мал. 4

Рис. 3. Передатна характеристика ділянки база-колектор для схеми рис. 4

Розташування робочої крапки підсилювача в середині лінійної частини передатної характеристики (мал. 5) (при цьому транзистор працює в нормальній активній області) свідчить про те, що основна задача даної стадії проектування - вибір резисторів, що забезпечують положення робочої точки підсилювача в класі А - вирішена вірно.

Крім того, з мал. 5 можна приблизно визначити коефіцієнт підсилення по напрузі на постійному струмі: (знак «мінус» говорить про те, що підсилювач буде інвертувати вхідний сигнал).

3.3. Вивчення впливу зміни параметрів транзистора на роботу підсилювача

Із, тому струм колектора при збільшенні коефіцієнта підсилення транзистора VT1 (рис. 4) в два раза повинний складати.

Тобто, зміна колекторного струму теоретично повинна скласти  или  от номінального значення.

Якщо ж, навпаки, зменшити коефіцієнт підсилення транзистора VT1 в два раза.

При перевірці отриманих результатів за допомогою моделювання в програмі Electronіc Workbench 5.12 є деякі особливості. Математична модель біполярного транзистора в цій програмі містить параметр  (де ,  – теплові струми відповідно емітерного і колекторного переходів). Тому щоб зміна параметра не вплинуло на теплові струми переходів, потрібно відповідним чином змінювати параметри.

Проаналізуємо поводження схеми при збільшенні в 10 разів некерованого струму колекторного переходу.

Струм  дорівнює сумі двох складових: теплового струму колекторного переходу і струму витоку, обумовленого дефектами структури колекторного переходу. Для простоти, нехтуючи другою, будемо вважати .

Оскільки для транзистора справедлива рівність , то збільшення в 10 разів теплового струму колекторного переходу  приведе до збільшення в стільки ж раз теплового струму емітерного переходу . Це, у свою чергу, спричинить зменшення напруги на ділянці база-емітер транзистора, оскільки.

Щоб обчислити зміна колекторного струму, запишемо.   

Зіставлення даних аналітичного розрахунку і результатів моделювання дано в таблиці 4.

Таблица 4

Дані до вивчення впливу зміни параметрів транзистора на роботу підсилювача

3.4. Аналіз результатів моделювання роботи схеми на постійному струмі

Результати аналітичного розрахунку практично збігаються з результатами моде-лирования. Розходження між ними не перевищує 6%. Наявність цих розбіжностей пояснюється наступним:

- при аналітичному розрахунку не враховувався зворотний струм колекторного перехода;

- в процесі аналітичного розрахунку не враховувався опір базової області транзистора й ефект модуляції бази (ефект Ерли);

- відсутні детальні описи алгоритмів, використовуваних програмою Electronіc Workbench, що утрудняє усвідомлене завдання численних параметрів і потенційно є джерелом помилок.

3.5. Визначення малосигнальных параметрів схеми

При аналізі перемінних складових сигналу використання нелінійної моделі Мола-Еберса для опису роботи транзистора не має змісту, тому що зв'язок між малими збільшеннями визначається не самими функціями, а їх похідними. Тому для аналізу перемінних складових користаються спеціальними - малосигнальными моделями, що складаються з лінійних елементів.

Щоб одержати малосигнальную модель (мал. 6) підсилювача (мал. 1), необхідно транзистор VT1 замінити малосигнальною Т пожібною схемою і врахувати, що виводи, підключені до шини живлення, завжди мають постійний потенціал, що еквівалентно їх заземленню на перемінному струмі. 

Рис. 4. Малосигнальна схема підсилювача

Далі для простоти будемо вважати, що опір  досить велико (не шунтує генератор струму). Тоді його можна виключити зі схеми.

Конденсатори , ,  мають великий опір на низьких частотах, що приводить до спаду амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) підсилювача в області низьких частот. Шунтуюча дія конденсаторів ,  виявляється на високих частотах і приводить до спаду АЧХ у цій області. Як правило, в області середніх частот АЧХ підсилювача йде горизонтально - це дозволяє сказати, що в даній частотній області жоден з конденсаторів не робить істотного впливу на проходження сигналу. Тому, для різних частотних областей можна будувати окремі малосигнальні схеми, більш прості, чим універсальна (рис. 6).

Побудуємо малосигнальну схему підсилювача для області середніх частот. Як було сказано, у цій області частотної області не один з конденсаторів у схемі мал.6 істотно не впливає на проходження сигналу, тому закоротим їх. Крім того, коефіцієнт посилення струму будемо вважати не комплексним (що необхідно для обліку емкостей переходів транзистора), а дійсною величиною. Одержимо схему (мал. 7), по якій легко обчислити основні малосигнальні параметри підсилювача. 

Рис. 5. Малосигнальна схема підсилювача для середніх частот

Диференціальний опір емітерного переходу транзистора.

Вхідний опір транзистора, включеного за схемою з загальним емітером.

Як видно з мал. 7, вхідний опір підсилювача.

Вихідний опір підсилювача.

Якщо позначити, то коефіцієнт підсилення по напрузі.

Коефіцієнт підсилення по струму.

Коефіцієнт підсилення потужності.

Коефіцієнт передачі ЭДС генератора.

Амплітуда вхідної напруги, при якій починають виникати нелінійні перекручування, приблизно можна обчислити (див. мал. 5).

3.6. Розрахунок ємностей конденсаторів і верхньої граничної частоти підсилення

Еквівалентна постійна часу для нижньої граничної частоти підсилювача.

Як сказано вище, в області низьких частот на проходження сигналу впливають лише конденсатори (рис. 8). Тому можна записати. 

де постійні часу перезарядки визначаються за умови, що в схемі присутній лише єдиний (відповідний) конденсатор.

Рис. 6. Малосигнальна схема підсилювача для низьких частот   

Ємності конденсаторів розрахуємо, вважаючи, що дають однаковий внесок в еквівалентну постійну часу перезарядки всієї схеми , тобто. 

Отже, розрахунок ємностей розділових і блокувального конденсаторів завершений. Перейдемо до прогнозування верхньої граничної частоти підсилення.

В області високих частот можна нехтувати інерційністю транзистора. Оскільки колекторний перехід закритий, то має бар'єрної ємністю , де  – ємність колектора при напрузі база-колектор . Крім того, необхідно враховувати дифузійну ємність відкритого емітерного переходу. Ці особливості враховані в схемі рис. 9. 

Рис. 7. Малосигнальна схема підсилювача для високих частот

Спочатку розрахуємо величини ємностей  і.

Постійна напруга база-колектор у схемі підсилювача (див. табл. 3).

Бар'єрна ємність колекторного переходу при напрузі:

де  – контактна різниця потенціалів колекторного переходу;  – коефіцієнт плавності емітерного переходу. 

Для розрахунку С необхідно попередня обчислити верхню частоту транзистора і середній час життя неосновних носіїв в базі.

Постійні часу перезарядки конденсаторів схеми рис. 9.

Можна показати, що в області високих частот, еквівалентна постійна часу для всієї схеми, де – коефіцієнт, що описує умови роботи транзистора в схемі з загальним емітером. тоді.

Верхня гранична частота підсилювача.

Тепер можна визначити середню частоту підсилювача (на цій частоті різниця фаз вхідного і вихідного сигналу инвертирующего підсилювача дорівнює ).

3.7. Моделювання роботи схеми на змінному струмі

Поблизу робочої точки підсилювач можна представити як лінійний чьотирьохполюсник, тому можна побудувати його амплітудно-частотну (АЧХ) і фазо-частотну (ФЧХ) характеристики. Для цієї мети в пакеті Electronic Workbench 5.12 існує спеціальний засіб - будівник АЧХ і ФЧХ (Bode Plotter).

Рис. 8. Схема для зняття АЧХ і ФЧХ підсилювача

Рис. 9. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача

Рис. 10. Фазо-частотна характеристика підсилювача

Рис. 11. Схема для визначення залежності вхідного опору підсилювача від частоти 

Рис. 12. Залежність вхідного опору підсилювача від частоти
Як видно з рисунка 14, вхідний опір підсилювача на середній частоті =.

Рис. 13. Схема для визначення залежності вихідного опору підсилювача від частоти 

Рис. 14. Залежність вихідного опору підсилювача від частоти

Вихідний опір підсилювача на середній частоті (рис. 16) дорівнює .

Щоб визначити амплітуду вхідного сигналу, при якій в схемі виникають нелінійні спотворення, знімемо амплітудну характеристику  підсилювача (рис. 17). Для цього будемо, змінюючи амплітуду вхідної напруги за допомогою зміни ЕРС Ег, фіксувати за допомогою вольтметра відповідні амплітуди ви-перехідного напруги (вимірювання проводимо на середній частоті підсилювача кГц).

З рисунка 19 випливає, що максимальна амплітуда ЕРС генератора Ег, при кото-рій ще не виникають нелінійні спотворення сигналу, дорівнює . Відповідно, максимальна амплітуда вхідної напруги, при якій немає нелінійних спотворень сигналу, дорівнює.

Рис. 15. Схема для зняття амплітудної характеристики підсилювача 

Рис. 16. Параметри джерела синусоїдальної напруги EГ в схемі рис. 17

По нахилу амплітудної характеристики можна визначити коефіцієнт ЕРС генератора.

3.8. Вичення реакції підсилювача на імпульсний сигнал

Імпульсний сигнал, проходячи через підсилювач, спотворюється. Спотворення сигналу тим більше, що вже смуга пропускання підсилювача. Теоретично можна передбачити час наростання фронту  і відносний спад вершини  вихідного сигналу.

Якщо подавати на вхід підсилювача прямокутні імпульси напруги з частотою (напівперіод такого сигналу).

Для перевірки отриманих даних як генератора EГ в схему підсилювача включимо генератор прямокутних імпульсів, параметри якого наведені на рис. 20. Слід зазначити, що амплітуда прямокутного імпульсу повинна бути достатньо малою (менше  в 4-5 разів), щоб не перевантажити підсилювач.

Рис. 18. Параметри генератора прямокутних імпульсів

З епюри вихідної напруги (рис. 21) находимо.

Рис. 19. Епюри напруг

Аналіз результатів моделювання роботи схеми на змінному струмі.

Таблиця 4

Зіставлення даних теоретичного розрахунку і результатів моделювання роботи схеми на змінному струмі

За результатами моделювання роботи підсилювача на змінному струмі можна зробити наступні висновки:

- Підсилювач має відносно вузьку (порядку 400 кГц) смугу пропускання сигналу і є інвертуючим, оскільки на середній частоті різниця фаз вхідного і вихідного сигналу рівні.

- Вхідний і вихідний опори підсилювача частотнозалежні. Зі збільшенням частоти сигналу ці опори зменшуються через зростаюче шунтування транзистора ємністю .

- Амплітудна характеристика містить таку важливу інформацію, як коефіцієнт посилення по напрузі підсилювача і максимально допустиму амплітуду вхідного сигналу, при якій ще немає нелінійних спотворень.

- Результати моделювання, в цілому, підтверджують дані теоретичного розрахунку (див. табл. 5). Досить велика розбіжність теоретичних і експериментальних даних при визначенні нижньої граничної частоти підсилення пов'язано з допуском, прийнятим при теоретичному розрахунку, про незалежний вплив ємності на властивості підсилювача в області низьких частот. 

Висновки

В ході виконання даної курсової роботи був зроблений розрахунок підсилювача, побудованого за схемою із загальним емітером. Результати всіх аналітичних розрахунків були перевірені за допомогою моделювання. В результаті отримано підсилювач (далі наводяться конкретного властивості спроектованого каскаду і дається їм оцінка).

Зміни параметрів транзистора (теплового струму колектора і коефіцієнта посилення по струму) слабо впливають на становище його робочої точки (роз'яснити чому).

Для складних нелінійних електричних кіл при розрахунках можна будувати більш прості еквівалентні схеми, нехтуючи частиною параметрів вихідної схеми. Так, можна будувати окремі схеми для розрахунку режимів роботи схеми по постійному і змінному струмі, для розрахунку інерційності в різних частотних областях. Як показано виконання даного проекту, грамотний відсів малоістотних параметрів (перерахувати) значно скорочує складність обчислень, забезпечуючи, тим не менш, прийнятну точність результату.

Програма електронного проектування Workbench 5,12 надає розробнику електронної апаратури набір досить зручних засобів моделювання роботи схем, що дозволяє заощадити час і підвищити якість кінцевого продукту. Однак даний пакет має і деякі вельми суттєві недоліки: одержувані креслення схем не відповідають ДСТ, відсутні описи основних алгоритмів роботи програми, що ускладнює усвідомлене завдання численних параметрів. 

Список використаних джерел

1) Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001, 488 с.

2) Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: “Горячая Линия - Телеком”, 2002, 768 с.

3) Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: “Горячая Линия - Телеком”, 2001, 320 с.

4) Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Гардарики, 2002, 637 с.

5) Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. М.: “Солон-Р”, 2001, 725 с.