Основы схемотехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова

Кафедра компьютерно-интегрированных

технологических процессов и производств

Методическое пособие

для практических занятий

и выполнения комплексного задания по дисциплине

"Основы схемотехники"

Воробьева Елена Михайловна,

Панфилов Иван Павлович,

Тринтина Наталия Альбертовна,

Алешина Лариса Алексеевна

Одесса

2015



Оглавление

Введение

1. Аналоговая схемотехника

Тема 1. Делитель напряжения без нагрузки (на "холостом ходу") и под нагрузкой. Расчет делителя напряжения

1.1 Ключевые положения

1.2 Задание для расчета

1.3 Исходные данные

1.4 Выполнение расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 2. Расчет выпрямителя. Выбор диода по справочнику

2.1 Ключевые положения

2.2 Задание для расчета

2.3 Исходные данные

2.4 Выполнение расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 3. Биполярные транзисторы. Расчет усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером

3.1 Ключевые положения

3.2 Задание для расчета

3.3 Исходные данные

3.4 Выполнение расчета

3.4.1 Разработка схемы

3.4.2 Выбор транзистора

3.4.3 Построение диаграммы работы усилителя

3.4.4 Расчет параметров усилителя

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 4. Параметрический стабилизатор напряжения. Коэффициент стабилизации

4.1 Ключевые положения

4.2 Задание для расчета

4.3 Исходные данные

4.4 Выполнение расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 5. Каскады на операционных усилителях. Инвертирующий усилитель напряжения

5.1 Ключевые положения

5.2 Задание для расчета

5.3 Исходные данные

5.4 Выполнение расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 6. Каскады на операционных усилителях. Неинвертирующий усилитель напряжения

6.1 Ключевые положения

6.2 Задание для расчета

6.3 Исходные данные

6.4 Выполнение расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 7. Каскады на операционных усилителях. Инвертирующий сумматор

7.1 Ключевые положения

7.2 Задание для расчета

7.3 Исходные данные

7.4 Выполнение расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

2. Цифровая схемотехника

Тема 10. Логические функции булевого базиса

10.1 Ключевые положения

10.2 Задание для расчета

10.3 Исходные данные

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 11. Триггеры 51

11.1 Ключевые положения

11.1.1 Асинхронный RS-триггер

11.1.2 Синхронный RS-триггер

11.1.3 D-триггер

11.1.4 D-триггер со счетным запуском

11.2 Задание для расчета

11.3 Исходные данные

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 12. Триггеры

12.1 Ключевые положения

12.2 Последовательные двоичные счетчики

12.3 Задание для расчета

12.4 Исходные данные для расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 13. Двоично-десятичные счетчики. Декадное соединение счетчиков

13.1 Ключевые положения

13.2 Задание для расчета

13.3 Исходные данные

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 14. Регистры

14.1 Ключевые положения

14.1.1 Последовательные регистры

14.1.2 Параллельные регистры

14.2 Задание для расчета

14.3 Исходные данные

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 15. Комбинационные устройства

15.1 Дешифраторы

15.2 Задание для расчета

15.3 Исходные данные

15.4 Пример выполнения расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 16. Мультиплексоры и демультиплексоры

16.1 Мультиплексоры

16.2 Демультиплексоры

16.3 Задание для расчета

16.4 Исходные данные

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Тема 17. Программируемые логические матрицы

17.1 Матричная схема

17.2 Двухуровневые программируемые логические матрицы

17.3 Задание для расчета

17.4 Исходные данные

17.5 Указания к выполнению расчета

Контрольные вопросы

Рекомендованная литература

Введение

Практические занятия и комплексное задание выполняются студентами на протяжении двух учебных модулей. Кроме того, предусмотрено выполнение факультативных занятий.

Перечень практических занятий модуля 1:

"Аналоговая схемотехника"

№ темы	Тема	Кол-во часов
1	Делитель напряжения без нагрузки (на "холостом ходу") и под нагрузкой. Расчет делителя напряжения	2
2	Выпрямители. Расчет выпрямителя	2
4	Биполярные транзисторы. Расчет усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером	4
5	Каскады на операционных усилителях. Инвертирующий усилитель	2
6	Каскады на операционных усилителях. Неинвертирующий усилитель	2
7	Каскады на операционных усилителях. Инвертирующий сумматор	2

Перечень практических занятий модуля 2:

"Цифровая схемотехника"

№	Тема	Кол-во часов
10	Логические функции булевого базиса	2
11	Триггеры	2
12	Счетчики импульсов. Двоичные счетчики	2
14	Регистры	2
15	Дешифраторы	4
16	Мультиплексоры и демультиплексоры	2

Перечень факультативных практических занятий



№	Тема	Кол-во часов
4	Параметрический стабилизатор напряжения. Расчет стабилизатора напряжения	2
13	Двоично-десятичные счетчики. Декадное соединение счетчиков	2
17	Программируемые логические матрицы	4



1. Аналоговая схемотехника

Тема 1. Делитель напряжения без нагрузки (на "холостом ходу") и под нагрузкой. Расчет делителя напряжения

1.1 Ключевые положения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема делителя напряжения без нагрузки (на "холостом ходу") показана на рис. 1.1.

На схеме рис. 1.1 обозначены элементы: резистор R1 - верхнее плечо делителя; резистор R2 - нижнее плечо делителя.

Одним из основных назначений делителя является уменьшение напряжения.

Основным параметром делителя напряжения (далее: делитель) является коэффициент передачи, который равен

K_д = (1.1)

и на "холостом ходу "(хх) определяется по формуле:

K_д = , (1.2)

где R₁ и R₂ - сопротивления резисторов соответственно верхнего и нижнего плеча делителя;

U_mвх и U_mвых - амплитуды соответственно входного и выходного напряжений.

Входное сопротивление делителя напряжения равно сумме сопротивлений резисторов:

R_вх = R₁ + R₂.

Мощность рассеивания резистора под постоянным напряжением определяется как

Р_R = U_RI_R = , (1.3)

где U_R - падение напряжения на резисторе R; I_R - ток, который протекает через резистор R. Для входного напряжения сопротивления R₁ и R₂ включены последовательно, поэтому ток I_R равен

I_R = . (1.4)

Если резистор находится под переменным напряжением, то для синусоидальной формы сигнала следует пользоваться формулой

Р_R = U_RmI_Rm = , (1.5)

где U_{R m} - амплитуда напряжения на резисторе;

I_{R m} - амплитуда тока, который протекает через резистор, равная

. (1.6)

Если делитель напряжения работает на нагрузку R_н, которая подключается параллельно нижнему плечу R₂, выходное напряжение U_вых уменьшается.

Схема делителя напряжения под нагрузкой показана на рис 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема делителя напряжения под нагрузкой

Так как сопротивления R₂ и R_н включены параллельно, то их эквивалентное сопротивление равно

.

Тогда коэффициент передачи делителя под нагрузкой будет равен

K_дн . (1.7)

Одним из способов объяснения действия делителя является его временная диаграмма работы, т.е. эпюры входного и выходного напряжений. Временная диаграмма работы делителя дана на рис. 1.3 для постоянных (а) и переменных (б) напряжений.

Рисунок 1.3 - Временная диаграмма работы делителя: а) для постоянных напряжений;

б) для переменных напряжений

Эта диаграмма работы показывает, что выходные напряжения U_вых меньше входных напряжений U_вх для обоих случаев: а) и б). Причем формы U_вх и U_вых всегда совпадают.

1.2 Задание для расчета

1. Дайте схему резистивного делителя напряжения.

2. Рассчитайте сопротивления резисторов R₁ и R₂ для получения заданного коэффициента передачи, равного

K_д = 0,2 + 0,05*N,

где N - последняя цифра номера зачетной книжки.

3. Округлите найденные значения сопротивлений R₁ и R₂ до стандартных номиналов (приложение 2) из ряда Е24.

4. Определите амплитуду выходного напряжения.

5. Рассчитайте мощности, которые рассеиваются резисторами R₁ и R_2.

6. Дайте в масштабе временную диаграмму работы делителя.



1.3 Исходные данные

1. Значение входного сопротивления: R_вх ? 1 кОм.

2. Амплитуда входного напряжения равна

: U_{m вх} = (10 + M) В.

Здесь и далее:

M - предпоследняя, N - последняя цифры номера зачетной книжки.

1.4 Выполнение расчета

1. Рассчитываем коэффициент передачи делителя для выбранного варианта

K_д = 0,2 + 0,05*N.

2. Выбираем значение входного сопротивления делителя R_вх из неравенства: R_вх ? 1 кОм.

3. Определяем значение сопротивления R₂:

R₂ = K_д R_вх.

4. Рассчитываем значение сопротивления R₁:

R₁ = R_вх - R₂.

5. Округляем рассчитанные значения сопротивлений R₁ и R₂ до стандартных номинальных значений, которые находим по таблице E24, приведенной в приложении 2.

5. Определяем амплитуду выходного напряжения

U_mвых = K_дU_{m вх}.

6. Рассчитываем мощности, которые рассеиваются резисторами R₁ и R₂,

Р_R = ,

где х = 1, 2.

7. Строим временную диаграмму работы делителя в масштабе. Оси U_вх и U_вых разбиваем в масштабе, удобном для считывания. Период сигнала выбираем произвольно. Разрешенные масштабы: 1, 2, 4, 5, 10.



Контрольные вопросы

1. Дайте схему и поясните принцип действия резистивного делителя напряжения.

2. Объясните влияние сопротивлений плеч делителя на выходное напряжение.

3. Объясните влияние сопротивлений плеч делителя на его коэффициент передачи.

4. Объясните влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение делителя.

5. Объясните влияние сопротивления нагрузки на коэффициент передачи делителя.



Рекомендованная литература

1. Воробйова О. М. Основи схемотехніки: підручник / О. М Воробйова, В. Д. Іванченко. - [2-ге вид.]. - Одеса: Фенікс, 2009. - С. 19 - 31.

2. Воробйова О. М. Основи схемотехніки: У 2-х частинах: навч. посіб. / О. М. Воробйова, В. Д. Іванченко. - Одеса: ОНАЗ ім. О. С Попова, 2004. Частина І. - С. 14 - 18.

3. Воробьева Е. М. Основы схемотехники: конспект лекций в 2-х частях / Е. М. Воробьева, В. Д. Иванченко. - Одесса: ОНАС им. А. С Попова, 2011. - Часть 1. - С. 28 - 30.



Тема 2. Расчет выпрямителя. Выбор диода по справочнику

2.1 Ключевые положения

Полупроводниковые диоды (далее: диоды) имеют одностороннюю проводимость.

При подаче прямого напряжения диод открыт, и его прямой ток может быть неограниченно большим.

Чем меньше прямое напряжение, тем выше качество диода.

Для идеального диода из кремния прямое напряжение не превышает 0,7 В. Прямое напряжение в реальных диодах может несколько отличаться от 0,7 В в обе стороны.

При подаче обратного напряжения диод закрыт, его обратный ток ничтожно мал, чем он меньше, тем выше качество диода. Обратное напряжение может быть сколько угодно большим в пределах электрической прочности диода.

Таким образом, диод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому диоды применяют для преобразования двухполярного переменного напряжения в однополярное, т.е. для выпрямления напряжения или тока.

Простейшим выпрямителем является однополупериодный, который представляет собой делитель напряжения, в верхнем плече которого включен диод, а в нижнем - сопротивление нагрузки, питающееся выходным выпрямленным напряжением.

Схема однополупериодного выпрямителя с трансформаторным входом показана на рис. 2.1:

а) для положительного выпрямленного напряжения; б) для отрицательного выпрямленного напряжения.

а) б)

Рисунок 2.1 - Схемы однополупериодного выпрямителя с трансформаторным входом:

а) для положительного выпрямленного напряжения; б) для отрицательного выпрямленного напряжения

Рассмотрим схему для положительного выпрямленного напряжения (рис. 2.1, а).

Выпрямитель работает следующим образом.

Входное выпрямляемое напряжение U_вх распределяется между диодом VD и сопротивлением нагрузки R_н. Согласно второму закону Кирхгофа для напряжений в схеме справедливо уравнение:

U_вх = U_VD + U_вых. (2.1)

Как следует из уравнения (2.1), при положительной полуволне входного напряжения, которая для диода является прямым напряжением, на диоде падает ничтожно малое напряжение U_{m пр} << U_{m вх}, и поэтому к нагрузке R_н приложена большая часть входного напряжения U_{m вх}:

U_{m вых} = U_{m вх} - U_{m пр} ? U_{m вх.}. (2.2)

Отрицательная полуволна входного напряжения является для диода обратным напряжением и поэтому практически целиком падает на диоде, не поступая к выходу, т. е. U_{m вх} ? U_{m обр}. Поэтому выходное напряжение близко к нулю:

U_{m вых} = U_{m вх} - U_{m обр} ? 0. (2.3)

Таким образом, диод VD пропускает к нагрузке R_н напряжение только одной полярности, т.е. осуществляет выпрямление.

Для наглядного изучения принципа действия выпрямителя построим диаграмму его работы.

Для этого найдем уравнение, так называемой, нагрузочной прямой. При подаче положительной полуволны входное напряжение U_вх распределяется между диодом VD и сопротивлением нагрузки R_н:

U_вх = U_пр + I_нR_н = U_пр + I_прR_н , (2.4)

где U_пр - прямое напряжение на диоде VD;

I_н = I_пр - ток нагрузки равен прямому току диода.

Поделим уравнения (2.4) на R_н и найдем ток диода I_пр, получим:

І_пр = . (2.5)

Соотношение (2.5) является уравнением линии нагрузки. Поскольку в системе координат (I_пр, U_пр) уравнение (2.4) первой степени, то линия нагрузки является прямой, и потому называется нагрузочной прямой.

Линия нагрузки "1-2" (рис. 2.2) строится по двум точкам 1 и 2 пересечения с осями координат следующим образом.

Рисунок 2.2 - Диаграмма работы однополупериодного выпрямителя

Точка 1: подставляем в выражение (2.4) уравнение оси абсцисс: І_пр = 0, откуда получаем U_вх = U_пр и откладываем U_пр = U_{m вх}, где U_{m вх} - амплитуда входного напряжения.

Точка 2: подставляем в выражение (2.4) уравнение оси ординат: U_пр = 0, откуда получаем соотношение І_пр = , в которое подставляем U_вх = U_{m вх}.

Через точки 1 и 2 проводим прямую линию, которая является линией нагрузки.

Пересечение линии нагрузки с ВАХ определяет рабочую точку РТ, которая задает режим диода, т.е. всю совокупность напряжений и токов элементов схемы. Так, точки 1 и 0 определяют амплитуду входного напряжения U_{m вх}. Рабочая точка РТ является границей между напряжением на диоде U_{m пр} и напряжением на R_н, т.е. выходным напряжением U_{m вых}.

Для расчета выпрямителя основными заданными параметрами являются сопротивление нагрузки R_н и выпрямленное напряжение на нём U_{m вых}.

Необходимо составить схему выпрямителя, выбрать тип диода, определить амплитуды входного выпрямляемого напряжения, входного тока, прямого и обратного напряжений.

Тип диода выбираем по входному току I_mвх и обратному напряжению U_mобр в приведенной схеме рис. 2.1,а:

І_mвх = І_mн = . (2.6)

Рассчитанное по формуле (2.6) значение тока I_mн не должно превышать номинальное значение тока диода I_ном, которое приведено в справочнике для каждого диода:

I_mн ? I_ном. (2.7)

Поскольку входное напряжение U_вх распределяется между диодом VD и сопротивлением нагрузки R_н, то амплитуда входного напряжения равна их сумме:

U_{m вх} = U_{m пр} + U_{m вых}, (2.8)

где U_{m пр} ? 0,7 В - амплитуда прямого напряжения на диоде.

Амплитуда входного напряжения U_{т вх} не должна превышать максимально допустимое значение обратного напряжения U_{обр макс}, которое является паспортным данным для каждого диода.

Обратное напряжение диода выбираем с 20% запасом из неравенства:

1,2U_{m вх} ? U_{обр макс}, (2.9)

где U_{m вх} - амплитуда входного напряжения.

По проекциям РТ на оси координат определяем рассчитанные параметры выпрямителя.

Проекция РТ на ось абсцисс определяет:

- амплитуду прямого напряжения на диоде U_{m пр};

- амплитуду выходного напряжения (на сопротивлении R_н):



U_{m вых} = U_{m вх} - U_{m пр}.

Проекция РТ на ось ординат определяет амплитуду тока в нагрузке I_{m н}.

Амплитуда обратного напряжения на диоде U_{m обр} практически равна амплитуде входного напряжения U_{m вх}, так как целиком падает на диоде, поэтому выходное напряжение на сопротивлении R_н равно нулю.

Результаты расчёта отражает приведенная на рис. 2.3 временная диаграмма работы однополупериодного выпрямителя, где U_VD - напряжение на диоде.

Следует обратить внимание на то, что выпрямление достигается не при любом сопротивлении нагрузки R_н. Если сопротивление R_н соизмеримо с обратным сопротивлением диода (R_н ? R_обр), то обратная полуволна будет лишь распределяться между R_н и R_обр, т.е. частично выделяться и на сопротивлении R_н, и на диоде, но выпрямления не будет.

2.2 Задание для расчета

1. Дайте схему однополупериодного выпрямителя положительного напряжения.

2. По справочнику выберите тип диода.

3. Дайте в масштабе диаграмму работы выпрямителя.

4. Определите амплитуды входного напряжения, входного тока, прямого и обратного напряжений.

5. Дайте в масштабе временную диаграмму работы выпрямителя: эпюры входного напряжения, напряжения на диоде и выходного напряжения, обращая внимания на фазы. (Эпюру входного напряжения расположите сверху).

Рисунок 2.3 - Временная диаграмма работы однополупериодного выпрямителя

2.3 Исходные данные

1. Амплитуда выходного напряжения

U_{m вых} = (5+ N) В.

2. Сопротивление нагрузки

R_н = (200+10М) Ом.

(N - последняя, M - предпоследняя цифры номера зачетной книжки).

2.4 Выполнение расчета

1. На рис. 2.4 показана схема однополупериодного выпрямителя положительного выпрямленного напряжения.

Рисунок 2.4 - Схема однополупериодного выпрямителя положительного выпрямленного напряжения

2. По заданным значениям амплитуды выходного напряжения U_{m вых} и сопротивления нагрузки R_н определяем значение амплитуды прямого тока I_{m пр}, протекающего через диод

I_{m пр}= .

3. Приняв прямое падение напряжения на диоде U_пр = 1 В, определим амплитуду обратного напряжения, приложенного к диоду

U_{m обр} = U_{m вых} + U_пр.

4. Диод выбираем по справочнику с запасом по предельным параметрам, для этого значения I_{m пр} и U_{m обр} увеличим на 20%:

I_пр = 1,2I_{m пр},

U_обр = 1,2U_{m обр}.

5. По рассчитанным значения I_пр и U_обр по справочнику выбираем диод, для параметров которого выполняются следующие неравенства:

I_{пр max} ? I_пр и U_{обр max} ? U_обр.

6. Для выбранного диода по справочнику определяем падение напряжения U_{пр VD}.

7. Определяем входное напряжение U_{m вх} выпрямителя

U_{m вх} = U_{m вых} + U_{пр VD}.

8. Строим временную диаграмму работы выпрямителя (рис. 2.3) в масштабе. Длительность периода при этом выбирается произвольно



Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы выпрямителя.

2. Покажите соотношение амплитуд входного и выходного напряжений выпрямителя.

3. Дайте схемы выпрямителей для получения положительного и отрицательного выпрямленного напряжений.

4. Поясните, чему равны прямое и обратное напряжения на диоде.



Рекомендованная литература

1. Воробйова О.М. Основи схемотехніки: підручник / О.М. Воробйова, В.Д. Іванченко. - [2-ге вид.]. - Одеса: Фенікс, 2009. - С. 41 - 51.

2. Воробйова О.М. Основи схемотехніки: У 2-х частинах: навч. посіб. / О.М. Воробйова, В.Д. Іванченко. - Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2004. - Частина І. - С. 26 - 42.

3. Воробьёва Е.М.. Основы схемотехники: конспект лекций в 2-х частях / Е.М. Воробьёва, В.Д Иванченко. - Одесса: ОНАС им. А.С. Попова, 2011. -Часть 1. - С. 41 - 44.

Тема 3. Биполярные транзисторы. Расчет усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером

3.1 Ключевые положения

Транзистор имеет три электрода (эмиттер, базу и коллектор) и содержит два p-n-перехода (эмиттерный и коллекторный), которые взаимодействуют между собой.

Термин "транзистор" переводится на русский язык как "управляемое сопротивление".

В схеме с общим эмиттером эмиттерный переход транзистора является входной цепью усилителя, а коллекторный - выходной. Если источник входного сигнала затрачивает меньшую мощность, чем полученная мощность в нагрузке усилителя, то входной сигнал усиливается.

Принципиальные схемы усилителей с общим эмиттером на транзисторах п-р-п-типа и р-п-р-типа показаны на рис. 3.1. Как видно из рис. 3.1, схемы отличаются типом транзисторов, а также полярностью напряжения питания Е_К. Усилитель на п-р-п-транзисторе питается положительным напряжением (+ Е_К) относительно корпуса, а на р-п-р-транзисторе - отрицательным (- Е_К).

Рисунок 3.1 - Принципиальные схемы усилителей с общим эмиттером:

а) на транзисторе n-p-n; б) на транзисторе p-n-p

На схемах рис. 3.1 обозначены:

U_вх - входное усиливаемое напряжение;

U_вых - выходное усиленное напряжение;

VT - биполярный транзистор;

Е_К - напряжение питания;

U_бэ - напряжение между базой и эмиттером;

U_кэ - напряжение между коллектором и эмиттером;

I_0б - ток смещения в цепи базы;

І_б - ток базы;

І_к - ток коллектора;

І_вх - входной ток;

R_б - резистор в цепи базы;

R_к - сопротивление нагрузки;

С_р1 и С_р2 - разделительные конденсаторы.

Усилитель с общим эмиттером (ОЭ), принципиальная схема которого показана на рис. 3.1,а, является делителем напряжения питания Е_К, в верхнем плече которого включено сопротивление нагрузки R_к, а в нижнем - транзистор VT. Аналогичное утверждение справедливо для схемы усилителя на рис. 3.1, б.

В этом случае коэффициент передачи делителя напряжения питания K_п будет равен

,

где R_VT - эквивалентное сопротивление коллектор-эмиттер транзистора.

Тогда напряжение между коллектором и эмиттером транзистора будет равно

U_кэ = E_K . (3.2)



Из формулы (3.2) получаем следующее:

- напряжение U_кэ между коллектором и эмиттером является частью напряжения питания Е_К;

- напряжение U_кэ между коллектором и эмиттером тем больше, чем больше напряжение питания Е_К;

- напряжение U_кэ никогда не может быть больше напряжения питания:

U_кэ < Е_К. (3.3)

Поясняя принцип действия усилителя, не следует представлять себе, что входное напряжение U_вх как-то поступает к выходу, увеличиваясь в тракте. Это не так.

Входное усиливаемое напряжение U_вх управляет изменением сопротивления транзистора R_VT по своему закону и, как следует из формулы (3.1), тем самым управляет коэффициентом передачи напряжения питания K_п. Таким образом, в основу принципа действия усилителя положено то, что часть напряжения питания Е_К поступает к выходу через делитель напряжения из R_к и сопротивления между коллектором и эмиттером транзистора R_VT, а входной усиливаемый сигнал U_вх управляет коэффициентом передачи K_п этого делителя.

Для рассмотрения работы усилителя найдём уравнение линии нагрузки.

Напряжение питания Е_К по закону Кирхгофа делится на падение напряжения на сопротивлении нагрузки І_кR_к и напряжение коллектор-эмиттер U_кэ:

Е_К = І_кR_к + U_кэ. (3.4)

Из уравнения (3.4), поделив его на R_к, получаем уравнение линии нагрузки

І_к = - . (3.5)

Рисунок 3.2 - Линия нагрузки и режим транзистора

Уравнение (3.5) в системе координат (I_к, U_кэ) первой степени. Поэтому линия нагрузки является прямой линией (нагрузочная прямая), и её можно построить по двум точкам на осях координат (рис. 3.2).

Точка 1: І_к = 0; из уравнения (3.5) получаем:

U_кэ = Е_К.

Точка 2: U_кэ = 0; из уравнения (3.5) получаем:

І_к = .

Отрезок прямой 1 - 2 является линией нагрузки.

Пересечение линии нагрузки с заданной характеристикой определяет рабочую точку. Если, например, задана характеристика для тока смещения I_0б = І_б^", то рабочей будет точка РТ.

Рабочая точка однозначно определяет режим работы транзистора, т.е. совокупность напряжений и токов. Она как бы разделяет напряжение питания Е_К на напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U_0кэ и падение напряжения І_0кR_к на сопротивлении нагрузки R_к, т.е



Е_К = U_0кэ + І_0кR_к.

Линия нагрузки полностью описывает режим работы транзистора и его изменение.

Так, с помощью линии нагрузки можно определить влияние изменения любого параметра режима. Если, например, изменить ток базы на І_б, то ток коллектора изменится на

І_к = h_21эІ_б

и, как следствие, изменится напряжение между коллектором и эмиттером на U_кэ. Параметр h_21э - коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером, значение которого приводится в справочнике.

Усилитель работает следующим образом

Принцип действия усилителя поясняет диаграмма его работы (рис. 3.3).

На схеме рис. 3.3 обозначены:

U_{т вх} - амплитуда входного усиливаемого напряжения;

U_{т вых} - амплитуда выходного усиленного напряжения;

І_{т вх} - амплитуда входного тока; І_{т к} - амплитуда тока коллектора.

Как видно из рис. 3.3, в схеме усилителя напряжения и токи транзистора изменяются в следующих пределах относительно постоянных составляющих:

- напряжение база-эмиттер

U_бэ = U_0бэ U_{т вх}; (3.6)

- напряжение коллектор-эмиттер

U_кэ= U_0кэ U_{т вых}; (3.7)



Рисунок 3.3 - Диаграмма работы усилителя в схеме с общим эмиттером

- ток базы

І_б =І_0б І_{т вх}; (3.8)

- ток коллектора

І_к = І_0к І_{т к}. (3.9)

В схеме, приведенной на рис. 3.1,а, токи протекают по следующим цепям.

Ток базы І_б течёт по цепи: плюс источника питания (+Е_К), резистор R_б, переход база-эмиттер транзистора, нулевой провод, минус источника питания (-Е_К). Поскольку протекает ток базы І_б, то появляется и ток коллектора

І_к = h_21эІ_б,

протекающий по цепи: плюс источника питания (+Е_К), сопротивление нагрузки R_к, переход коллектор-эмиттер транзистора, нулевой провод, минус источника питания (- Е_К).

Эти цепи образуют замкнутые контуры, для которых согласно второму закону Кирхгофа справедливы следующие уравнения:

1) I_б R_б + U_бэ - E_К = 0 или I_б R_б + U_бэ = E_К;

2) I_к R_к + U_кэ - E_К = 0 или I_к R_к + U_кэ = E_К. (3.10)

В исходном состоянии до момента t₀, т.е. в отсутствии входного напряжения U_вх = 0, усилитель находится в состоянии покоя. В этом состоянии параметры режима определяются рабочей точкой и равны только первым слагаемым в формулах (3.6)…(3.9). В рабочей точке постоянные напряжения и токи равны:

- постоянное напряжение база-эмиттер: U_бэ = U_0бэ;

- постоянное напряжение коллектор-эмиттер: U_кэ = U_0кэ;

- постоянный ток базы: І_б = І_0б; - постоянный ток коллектора: І_к = І_0к.

При подаче сигнала появляется входное напряжение U_вх. Оно вызывает появление переменных составляющих входного тока І_вх, тока коллектора І_к и выходного напряжения U_вых, мгновенные значения которых расположены вокруг рабочей точки (см. рис. 3.3).

Так, в момент t₁ на входе усилителя действует амплитуда U_{т вх} положительной полуволны, в результате напряжение база-эмиттер увеличивается до максимального значения:

U_{бэ mах} = U_0бэ + U_{т вх}.

Поэтому ток базы также будет максимальным:

І_{б mах} = І_0б + І_{т б}.

Так как ток коллектора прямо пропорционален току базы (І_к = h_21эІ_б), то он также будет иметь максимальное значение: І_{к mах} = І_0к + І_{т к}.

Напряжение коллектор-эмиттер найдем из выражения (3.4):

U_кэ = Е_К - І_к R_к, (3.11)



для момента t₁ найдем его минимальное значение, подставив в выражение (3.11) значение І_к = І_{к mах}, получим:

U_{кэ min} = Е_К - І_{к mах} R_к. (3.12)

В момент t₂ на входе усилителя действует амплитуда входного сигнала U_{т вх} отрицательной полуволны, поэтому напряжение база-эмиттер уменьшается до минимального значения:

U_{бэ min} = U_0бэ - U_{т вх}.

Ток базы также будет минимальным:

І_{б min} = І_0б - І_тб.

Тогда ток коллектора также будет минимальным: І_{к min} = І_0к - І_тк, так как

І_к = h_21эІ_б.

Напряжение коллектор-эмиттер в момент t₂ определим, подставив в выражение (3.10) значение І_к = І_{к min}, получим

U_{кэ mах} = Е_К - І_{к min} R_к. (3.13)

Как видно из выражений (3.12) и (3.13), максимальный ток коллектора І_{к mах} обусловливает минимальное значение напряжения коллектор-эмиттер U_{кэ min}. Это объясняется тем, что максимальный ток коллектора І_{к mах} создаёт максимальное падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_к, которое равно: І_{к mах}R_к. Аналогично, минимальный ток коллектора І_{к min} обусловливает максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер U_{кэ mах}.

Из этого следует, что усилитель с общим эмиттером поворачивает фазу входного напряжения на 180.

3.2 Задание для расчета

1. Разработайте схему резистивного усилителя напряжения с общим эмиттером (далее: усилитель).

2. По справочнику выберите тип биполярного транзистора.

3. Дайте в масштабе диаграмму работы усилителя.

4. Определите напряжение питания коллекторной цепи Е_К.

5. Рассчитайте сопротивление нагрузки в коллекторной цепи и сопротивление резистора в цепи базы.

6. Рассчитайте мощность Р_0к, которая рассеивается коллектором, сравните её с максимально допустимой мощностью Р_{к max} и сделайте выводы о правильности выбора транзистора.

7. Рассчитайте выходную полезную мощность Р_вых и мощность затрат Р_затр.

8. Определите коэффициент полезного действия (кПд).

9. Определите коэффициенты усиления напряжения К_u, тока К_i и мощности К_Р.

10. Найдите входное сопротивление.

11. Приведите в масштабе временную диаграмму работы усилителя. (Сверху - эпюра входного напряжения, снизу - выходного). Размещение эпюр входного и выходного напряжений в разных столбцах или на разных страницах не допустимо.



3.3 Исходные данные

1. Амплитуда входного напряжения

U_{m вх} = 0,05 (1 + 0,1N) В.

2. Амплитуда выходного напряжения

U_{m вых} = (7 + 0,3m) В.

Здесь и далее: m - предпоследняя, n - последняя цифры номера зачётной книжки.

3.4 Выполнение расчета

3.4.1 Разработка схемы

Схема усилителя с общим эмиттером показана на рис. 3.4.

с общим эмиттеромДалее необходимо объяснить все обозначения на схеме; например,

U_вх - входное напряжение, которое необходимо усилить;

U_вых - выходное усиленное напряжение;

R_б - …..

R_к - ….. и т.д.

3.4.2 Выбор транзистора

1. Транзистор выбирается по максимально допустимому напряжению коллектор-эмиттер U_{кэ max}, значение которого указывается в справочниках.

Расчетное значение напряжение питания коллекторной цепи для выбора транзистора равно



Е_{К расч} = 2 U_{m вых}+ 2 U_{кэ нас},

где U_{кэ нас} - напряжение насыщения транзистора, которое указано в справочнике и равно примерно 1 ... 2 В.

2. Должно выполняться неравенство: Е_{К расч} < U_{кэ max}.

3.4.3 Построение диаграммы работы усилителя

1. Для выбранного транзистора снимаем входную вольтамперную характеристику (ВАХ) I_б = f(U_бэ) и выбираем на ней значение минимального тока базы I_{б min}, отсекая наиболее нелинейный участок входной ВАХ, как показано на рис. 3.3. Как правило, минимальное значение тока базы I_{б min} соответствует, указанному на нижней выходной ВАХ.

2. На входной характеристике находим точку с координатами (U_{бэ min}, I_{б min}). Для этого значение I_{б min} проецируем на входную ВАХ, находим точку 1, а затем точку 1 проецируем на ось напряжения U_бэ и находим значение U_{бэ min}, как показано на рис. 3.3.

3. Затем на входной ВАХ находим рабочую точку с координатами (U_0бэ, I_0б), рассчитав напряжение база-эмиттер по формуле

U_0бэ = U_{бэ min} + U_{m вх}

и определив по входной характеристике соответствующее значение тока базы I_0б.

4. Далее на входной характеристике находим точку 2 с координатами (U_{бэ max}, I_{б max}), рассчитав максимальное напряжение база-эмиттер в точке 2 по формуле

U_{бэ max} = U_{бэ min} + 2U_{m вх}



и определив по входной характеристике соответствующее значение тока базы I_{б max}.

5. На эпюре напряжения U_вх(t) вокруг напряжения покоя U_0бэ размещаем синусоиду без искажений с заданной амплитудой U_{m вх}.

6. Вычерчиваем выходные вольтамперные характеристики для токов базы I_{б min}, І_0б и І_{б max}, значения которых обозначены на входной ВАХ соответственно в точках 1, РТ, 2 (рис. 3.3).

7. На выходных характеристиках находим точку 3 линии нагрузки. Для этого выбираем значение напряжения U_{кэ min} и проецируем его на выходную характеристику для тока базы І_{б max}.

напряжение U_{кэ min} должно отсекать наиболее нелинейный участок выходных ВАХ транзистора. Поэтому значение напряжения U_{кэ min} следует выбирать таким, чтобы точка 3 была бы как можно ближе к оси ординат I_к, но правее точки перегиба характеристики для тока І_{б max}, т.е. на возможно линейном участке выходной характеристики.

8. На выходных характеристиках находим точку 4 линии нагрузки, проецируя максимальное напряжение U_{кэ max} = U_{кэ min} + 2U_{т вых} на выходную характеристику для тока базы І_{б min}.

9. Через точки 3 и 4 проводим линию нагрузки до пересечения с осями координат U_кэ и I_к. Обозначаем рабочую точку РТ, которая находится на пересечении ВАХ, соответствующей току базы I_0б, и нагрузочной прямой. Проецируя рабочую точку РТ на ось напряжения U_кэ (ось абсцисс), находим напряжение U_0кэ.

10. Проецируя точки 3, РТ, 4 на ось тока I_к (ось ординат), находим значения соответствующих токов: I_{к max}, I_0к, I_{к min}.

11. В пределах минимальных и максимальных значений тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер размещаем их эпюры, как показано на рис. 3.3. Из-за нелинейности входной и выходной вольтамперных характеристик транзистора, форма выходного сигнала отличается от гармонического. Это свидетельствует о наличии в усилителе нелинейных искажений.

1. Рассчитываем значение мощности, которая рассеивается коллектором, и сравниваем его с максимально-допустимым значением, указанным в справочнике,

Р_0к = U_0кэ І_0к.

Должно выполняться неравенство: Р_0к < Р_{к max}. Если неравенство не выполняется, необходимо выбрать другой, более мощный транзистор.

2. Находим напряжение питания усилителя Е_К = …, которое отсчитывается в точке пересечении линии нагрузки с осью абсцисс - осью напряжения U_кэ. На оси ординат - оси тока I_к в точке пересечения нагрузочной прямой находим значение расчетного тока I_кр.

3. Определяем сопротивление нагрузки

R_к = .

4. Рассчитываем сопротивление резистора в цепи базы

R_б = .

5. Рассчитываем выходную полезную мощность

Р_вых =

и потребляемую мощность

Р_пот = Е_К І_0к.

6. Определяем коэффициент полезного действия (КПД) усилителя

з = .

Для усилителя с общим эмиттером и резистивной нагрузкой должно выполняться неравенство: з < 0,25.

Предупреждение: если неравенство не выполняется, это свидетельствует о наличии в работе ошибки, которую необходимо найти и исправить.

7. Рассчитываем коэффициенты усиления усилителя:

1) коэффициент усиления напряжения

К_u = ;

2) коэффициент усиления тока

К_і = _,

где І_{mк ср} и І_{mб ср} - средние значения амплитуд токов соответственно коллектора и базы:

I_{mк ср} = , I_{mб ср} = ;

3) коэффициент усиления мощности

К_Р = К_uК_і.

Так как из-за нелинейности ВАХ транзистора возникают нелинейные искажения сигнала (искажения формы токов и напряжений в усилителе), в расчетах используются средние значения. Средние значения амплитуд токов находим по известным формулам:

8. Находим входное сопротивление усилителя

R_вх = .

9. Вычерчиваем временную диаграмму работы усилителя в масштабе.

(Сверху эпюра входного напряжения, снизу - выходного).



Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия усилителя.

2. Объясните связь между напряжением питания и максимальной неискаженной амплитудой выходного напряжения.

3. Покажите связь между токами базы и коллектора.

4. Покажите влияние значения сопротивления резистора в цепи базы на искажения сигнала.

5. Покажите оптимальное положение рабочей точки на выходных ВАХ транзистора для получения минимальных искажений выходного напряжения.



Рекомендованная литература

1. Воробйова О.М. Основи схемотехніки: підручник / О.М. Воробйова, В.Д. Іванченко - [2-ге вид.]. - Одеса: Фенікс, 2009. - С. 89 - 102.

2. Воробйова О.М. Основи схемотехніки: У 2-х частинах: навч. посіб. / О.М. Воробйова, В.Д. Іванченко. - Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2004. - Частина І. - С. 70 - 81.

3. Воробьёва Е.М. Основы схемотехники: конспект лекций в 2-х частях / Е.М. Воробьёва, В.Д Иванченко. - Одесса: ОНАС им. О.С. Попова, 2011. -Часть 1. - С. 76 - 82.

Тема 4. Параметрический стабилизатор напряжения. Коэффициент стабилизации

4.1 Ключевые положения

Рисунок 4.1 - Амплитудная характеристика идеального параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизаторы напряжения предназ-начены для обеспечения постоянства выходного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов: при изменении входного напряжения, при изменении сопротивления нагрузки, при изменении напряжения питания и других факторов.

На рис. 4.1 приведена амплитудная характеристика U_вых = f(U_вх) идеального стабилизатора напряжения. Из этой характеристики видно, что, начиная с входного напряжения U_вх = U_0ст, дальнейший рост входного напряжения не вызывает изменения выходного напряжения U_вых, т.е. осуществляется стабилизация.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения (рис. 4.2) является делителем входного напряжения U_вх с ограничительным резистором R_огр в верхнем плече и стабилитроном VD в нижнем.



Рисунок 4.2 - Схема параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизация достигается тем, что избыток входного напряжения

(U_вх - U_ст) гасится на ограничительном резисторе R_огр.

Поскольку стабилизатор является делителем напряжения, то при І_н << І_ст, т.е. при большом сопротивлении нагрузки R_н, входное напряжение распределяется между его плечами по закону Кирхгофа, и поэтому выходное напряжение равно

U_вых = U_вх - І_ст R_огр. (4.1)

Из (4.1) следует, что единственной возможностью стабилизировать выходное напряжение (U_вых = const) является увеличение тока І_ст при увеличении входного напряжения U_вх > U_0ст.

Тогда идеальная ВАХ VD должна иметь вид, представленный на рис. 4.3, а именно: до какого-то определённого напряжения на стабилитроне (U_ст < U_0ст) ток стабилитрона І_ст отсутствует. Поэтому, как следует из (4.1), U_вых = U_вх, т.е. стабилизации нет.

Когда же напряжение на стабилитроне превысит напряжение стабилизации (U_ст > U_0ст), то появится ток стабилитрона І_ст, который вызовет падение избыточного напряжения І_стR_огр на резисторе R_огр, из-за чего выходное напряжение U_вых останется неизменным.

Стабилитрон, условное обозначение которого приведено на рис. 4.4, имеет ВАХ, близкую к идеальной (рис. 4.5).

Рисунок 4.3 - ВАХ идеального элемента стабилизации

Рисунок 4.4 - Стабилитрон: а) условное обозначение; б) полярность обратного напряжения

Принцип действия стабилитрона можно пояснить следующим образом. При подаче обратного напряжения в стабилитроне возникает электрический пробой р-n-перехода, вызывающий неограниченный рост обратного тока из-за увеличения концентрации электронов в зоне проводимости.