Реферат: Функциональные устройства телекоммуникаций
Контрольное задание №1
Исходные данные (Вариант №4):
Еп, В
9
I0K,мА
12
U0КЭ, В
4
EГ, мВ
50
RГ, кОм
0,6
fН, Гц
120
fВ, кГц
10
M, дБ
1
tСМИН,оC
tСМАКС, оC
35
Изобразим полную принципиальную схему предварительного каскада элементами связи с источником сигнала и последующим каскадом.
/>
Выберем тип транзистора исходя из заданного режима его работы и частоты верхнего среза усилителя fВ
Еп=9В; I0K=12 мА; fВ=10кГц
Возьмем низкочастотный транзистор малой мощности. Например ГТ108А [3]. Это германиевый сплавной транзистор p-n-p типа.
Выпишем его основные параметры из справочника [3]:
Параметры
Режим измерения
ГТ108А
h21ЭМИН
UКЭ=-5В; IЭ=1 мА; tС=20оC
20
h21ЭМАКС
55
СК, пФ
UКБ=-5В; f=465 кГц
50
τК, нс
UКБ=-5В; f=465 кГц
5
fh21Э, МГц
UКЭ=-5В; IЭ=1 мА
0,5
IКБО, мкА
UКБ=-5В; tС=20оC
15
Рассчитаем параметры малосигнальной модели биполярного транзистора [1].
Среднее значение коэффициента передачи тока равно:
/>(1.1)
h21Э=33,2.
Выходная проводимость определяется как
/>(1.2)
h22Э=1,2*10-4 См.
Здесь UA— напряжение Эрли, равное 70… 150 В у транзисторов типа р-n-р.
Объемное сопротивление области базы rБможно определить из постоянного времени τКколлекторного перехода:
/>(1.3)
rБ=100 Ом
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется по формуле:
/>(1.4)
--PAGE_BREAK--rБ’Э=74 Ом
где />=2,2 Ом дифференциальное сопротивление эмиттера;
/>0,026 В — температурный потенциал при Т= 300 К;
m=1 — поправочный коэффициент, принимаемый примерно равным 1 для германиевых транзисторов.
Входное сопротивление транзистора:
/>(1.5)
h11Э=174 Ом
Емкость эмиттерного перехода равна:
/>(1.6)
СБ’Э=4,3 нФ
Проводимость прямой передачи:
/>(1.7)
Y21Э=0,191 См
Рассчитаем параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора по дрейфу [1].
Минимальная температура перехода транзистора
/>(1.8)
где PK— мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора;
/>(1.9)
PK=48 мВт,
RПС=0,5 °С/мВт,
tПmin= 14,4°С.
Максимальная рабочая температура перехода:
tПmax= tСmax+ RПСPK(1.10)
tПmax=49,4°С
Значение параметра h/21Этранзистора при минимальной температуре перехода:
/>(1.11)
h/21Э=26,4.
продолжение--PAGE_BREAK--
Значение параметра h//21Этранзистора при максимальной рабочей температуре перехода:
/>(1.12)
h//21Э=52,3.
Изменение параметра Δh21Эв диапазоне температур:
/>(1.13)
Δh21Э=26
Изменение обратного тока коллектора в диапазоне температур:
/>(1.14)
ΔIКБ0=81 мкА,
где α— коэффициент, принимаемый для германиевых транзисторов в интервале 0,03— 0,035
Эквивалентное изменение тока в цепи базы в диапазоне температур:
/>(1.15)
ΔI=0,4 мА
Эквивалентное изменение напряжения в цепи базы, вызванное изменением температуры окружающей среды:
/>(1.16)
ΔU=0,12В
Рассчитаем элементы эммитерной стабилизации тока покоя транзистора:
Зададимся падением напряжением на сопротивлении RЭв цепи эмиттера транзистора равным
URЭ=0,2Eп=1,8В (1.17)
Определим сопротивление этого резистора:
/>(1.18)
RЭ=150 Ом
а также сопротивление резистора в цепи коллектора:
/>(1.19)
RК=267 Ом
Округлим их значения до ближайших стандартных, они будут равны соответственно 150 Ом и 270 Ом
продолжение--PAGE_BREAK--
Зададимся допустимым изменением тока коллектора в диапазоне температур из условия
/>(1.20)
ΔI0К=0,5I0K=6 мА
При этом необходимо учитывать, что меньшее значение изменения этого тока приводит к увеличению тока, потребляемого резистивным делителем в цепи базы, к снижению входного сопротивления и ухудшению КПД каскада.
Исходя из требуемой стабилизации тока покоя каскада, определяют эквивалентное сопротивление в цепи базы транзистора:
/>(1.21)
RБ=4,2 кОм (стандартная величина – 4,3 кОм)
Рассчитаем ток базы в рабочей точке:
/>(1.22)
IОБ=0,36 мА
Пусть U0БЭ=0,3 В
Напряжение на нижнем плече резистивного делителя в цепи базы:
/>(1.23)
URБ2=2,1 В
Сопротивление верхнего плеча резистивного делителя в цепи базы:
/>(1.24)
RБ1=10 кОм (стандартная величина – 10 кОм)
Сопротивление нижнего плеча делителя в цепи базы:
/>(1.25)
RБ2=4,2 кОм (стандартная величина – 4,3 кОм)
Входные сопротивления рассчитываемого RВХи последующего RВХ2= RНкаскадов:
/>(1.26)
RВХ1=167 Ом
Выходное сопротивление каскада:
/>(1.27)
RВЫХ=260 Ом
Определим емкости разделительных (СР1и СР2) и блокировочного (СЭ) конденсаторов. Эти конденсаторы вносят частотные искажения в области нижних частот примерно в равной степени. В связи с этим заданные на каскад частотные искажения МН(дБ) в децибелах целесообразно распределить поровну между данными элементами:
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
МНСР1=МНСР2=МНСЭ=0,33 дБ
Емкость первого разделительного конденсатора:
/>(1.28)
СР1=6,1 мкФ (стандартная величина – 6,2 мкФ)
Емкость второго разделительного конденсатора:
/>(1.29)
СР2=11 мкФ (стандартная величина – 10 мкФ)
Емкость блокировочного конденсатора в цепи эмиттера:
/>(1.30)
где
/>(1.31)
М=7,7;
СЭ=238 мкФ (стандартная величина – 240 мкФ);
Сопротивление нагрузки каскада по переменному току:
/>(1.32)
/>=103 Ом
Коэффициент передачи каскада по напряжению:
/>(1.33)
КU=20
Сквозной коэффициент передачи по напряжению:
/>(1.34)
КЕ=4,2
Выходное напряжение каскада:
/>(1.35)
UВЫХ=213 мВ
Коэффициент передачи тока:
/>(1.36)
Ki=20
Коэффициент передачи мощности:
/>(1.37)
KP=383
Верхняя граничная частота каскада определяется по формуле:
/>(1.38)
где />— эквивалентная постоянная времени каскада в области верхних частот.
Постоянную времени />можно определить из выражения
/>(1.39)
где />и />— постоянные времени входной и выходной цепей соответственно.
Эти постоянные времени определяются по формулам
/>(1.40)
/>(1.41)
где С— эквивалентная входная емкость каскада,
продолжение--PAGE_BREAK--
Сн— емкость нагрузки.
Эквивалентная входная емкость каскада включает емкость перехода база — эмиттер />и пересчитанную на вход емкость перехода база — коллектор Ск:
/>(1.42)
С=5,3 нФ;
/>=0,7мкс; />=0,5 мкс;
/>= 0,9 мкс.
fВ=180 кГц.
Определим частотные искажения в области верхних частот
/>(1.40)
МВ=0,013
и сравним их с заданным значением М. Т.к. условие выполняется, т.е. МВ(дБ)<М(дБ), следовательно расчет произведен верно.
Контрольное задание №2
тип схемы: 7;
тип транзистора: p-n-p — КТ363Б
Выпишем основные параметры заданных транзисторов:
КТ363Б
h21Эmin
40
h21Эmax
120
|h21Э|
15
fизм, МГц
100
τK, пс
5
CK, пФ
2
Eг=1мВ; fc=10кГц; Rг=1кОм; Rн=1кОм; Сн=100пФ; Ср2=10мкФ.
Принципиальная схема анализируемого каскада с подключенными к ней источником сигнала и нагрузкой имеет вид:
/>
Рассчитаем режим работы транзисторов по постоянному току, пусть Еп=10 В.
Расчет схемы по постоянному току проводится в следующем порядке. Рассчитаем ток делителя в базовых цепях транзисторов:
/>(2.1)
Определить потенциалы баз транзисторов:
/>(2.2)
/>(2.3)
Найдем потенциалы эмиттеров транзисторов:
/>(2.5)
/>(2.6)
Напряжение U0БЭвыбирается в интервале 0.5...0,7 В для кремниевых транзисторов, выберем U0БЭ=0,5В.
Рассчитаем ток в резисторе, подключенном к эмиттеру первого транзистора:
/>(2.7)
Рассчитаем ток коллектора в рабочей точке, для этого найдем сначала найдем среднее значение коэффициента передачи тока:
/>(2.8)
h21Э=69,
тогда:
/>(2.9)
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
/>(2.10)
Определим напряжение на коллекторе в рабочей точке:
/>(2.11)
/>(2.12)
По результатам расчета статического режима определяются параметры моделей первого и второго транзисторов:
Выходная проводимость определяется как
/>(2.13)
h221=1,3*10-5 См, h222=1,2*10-5 См.
Здесь UA— напряжение Эрли, равное 100… 200 В у транзисторов типа n-р-n. Примем UA=100В.
Предельная частота усиления транзистора по току определяется по единичной частоте усиления fТ:
/>(2.14)
Граничная частота fТ находится по формуле:
/>(2.15)
fТ1,2=1,5 ГГц;
/>=22 МГц.
Объемное сопротивление области базы rБможно определить из постоянной времени τКколлекторного перехода транзистора, приводимой в справочниках:
/>(2.16)
rБ1,2=2,5 Ом.
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется по формуле:
/>(2.17)
rБ’Э1=2,2 кОм, rБ’Э2=2,2 кОм.
где />дифференциальное сопротивление эмиттера;
/>0,026 мВ — температурный потенциал при Т= 300 К;
m — поправочный коэффициент, принимаемый примерно равным 1.5 для кремниевых транзисторов.
rЭ1=31 Ом, rЭ2=31 Ом.
Емкость эмиттерного перехода равна:
/>(2.18)
СБ’Э1=3,4 пФ; СБ’Э2=3,3 пФ
продолжение--PAGE_BREAK--
Определим коэффициент передачи по напряжению, входное и выходное сопротивление оконечного каскада, построенного по схеме с ОЭ.
Входное сопротивление транзистора VT2:
h112=rБ2+rБ’Э2=2,2 кОм (2.19)
Входное сопротивление каскада:
/>
/>(2.20)
Выходное сопротивление каскада:
/>(2.21)
Сопротивление нагрузки каскадапо переменному току:
/>(2.22)
Коэффициент передачи каскада по напряжению:
/>(2.23)
KU2=16
Определим коэффициент передачи по напряжению, сквозной коэффициент передачи по напряжению, входное и выходное сопротивления входного каскада. При этом необходимо учитывать, что нагрузкой входного каскада является входное сопротивление оконечного каскада. Входной каскад построен по схеме с ОЭ.
Входное сопротивление транзистора VT2:
h111=rБ1+rБ’Э1=2,2 кОм(2.24)
Входное сопротивление каскада:
/>
/>(2.25)
Выходное сопротивление каскада:
/>(2.26)
/>(2.27)
Сопротивление нагрузки каскадапо переменному току:
/>(2.28)
Коэффициент передачи каскада по напряжению:
/>(2.29)
KU1=32
Сквозной коэффициент передачи по напряжению:
/>(2.30)
Коэффициент передачи по напряжению всего усилителя определяется по формуле
KU= KU1* KU2=500(2.31)
Сквозной коэффициент передачи по напряжению KE всего усилителя определяется аналогично:
KЕ= KЕ1* KU2=310 (2.32)
Входное сопротивление усилителя определяется входным сопротивлением входного каскада, а выходное – выходным сопротивлением оконечного каскада.
Постоянные времени в области нижних частот, связанные с разделительными конденсаторами Ср1, Ср2, определяются по формулам:
τН1=Ср1*(Rг+ RВХ1)=13 мс (2.33)
продолжение--PAGE_BREAK--
τН2=Ср2*(RВЫХ2+ Rн)=20 мс (2.34)
Постоянная времени в области нижних частот, связанная с блокировочным конденсатором Сэ, определяется по формуле:
τН3=СэRэ=30 мс (2.35)
Эквивалентная постоянная времени в области нижних частот равна
/>(2.36)
где τНi,τНj— эквивалентные постоянные времени каскада в области нижних частот связанные с i-м разделительным и j-мблокировочным и конденсаторами соответственно. τН=10 мс
Нижняя частота среза определяется по формуле:
/>(2.37)
В усилителе имеются три постоянных времени в области верхних частот, связанные с входными цепями входного и оконечного транзисторов и емкостью нагрузки:
τВi=Сi*Ri,(2.38)
где Сi – емкость i-го узла относительно общего провода,
Ri – эквивалентное сопротивление i-го узла относительно общего провода.
Входная емкость транзистора в схеме с общим эмиттером равна:
/>(2.39)
/>(2.40)
С01=70 пФ, С02=37 пФ.
n/>(2.41)
/>(2.42)
/>(2.43)
Эквивалентная постоянная времени в области верхних частот равна
/>(2.44)
τВ=75 нс
Верхняя частота среза определяется по формуле:
/>(2.45)
fВ=2 МГц
Литература
. Войшвилло. Г. В. Усилительные устройства / Г. В. Войшвилло. — М.: Радио и связь, 1983.
. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника. / У. Титце, К. Шенк. — М.: Мир, 1982.
. Галкин, В. И. Полупроводниковые приборы: справочник / В. И. Галкин, А. Л. Булычев, В. А. Прохоров. — 2-е изд. — Минск: Беларусь, 1987.