Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина »

Институт радиоэлектроники и информационных технологий - ИРИТ-РТФ Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем»

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ(Вариант № 118)

КУРСОВАЯ РАБОТА

Руководитель

Устыленко Н.С.

Елфимов В.И.

Студент

Шилова Е.А.

Группа: Р-290401

Екатеринбург 2011г.

Определение задания

Номер студенческого билета: 09942118

Тип транзистора: полевой

Активный элемент: КП313А

Напряжение источника питания: Е_П =15В

Значение резистора в выходной цепи: R_С =0,75кОм

Значение сопротивления нагрузки: R_Н =1,3кОм

Справочные данные.

Транзистор кремниевый диффузионно-планарный полевой маломощный высокочастотный с изолированным затвором и со встроенным каналом n-типа. Предназначен для работы в каскадах генерирования и усиления сигналов высокой частоты устройств широкого применения. Выпускается в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Масса транзистора не более 1г.

Электрические параметры

Наименование	Обозначение	Значения	Режим измерения
		минимальное	максимальное	UСИ, В	UЗИ, В	IC, мА	F, МГц
Ток утечки затвора, мА	IЗ ут		10	0	10
Крутизна характеристики, мА/В	S	4.5	10.5	10		5	10-3
Уход крутизны характеристики, % При Т=+85? При Т=-45?	?S	-40	50.0	10 10 10		5 5 5	10-3 10-3 10-3
Напряжение затвор-исток, В	UЗИ	0.3	1.8	10		5
Напряжение отсечки, В	UЗИ отс	6		10		0.01
Коэффициент усиления по мощности, дБ	Kу	10		15		5	250
Коэффициент шума, дБ	Kш		7.5	15		5	250
Проходная емкость, пФ	С12и		0.9	10		5	10
Входная емкость, пФ	С11и		7	10		5	10
Максимальная частота усиления, МГц	fp	500		15		5

Максимально допустимые параметры

Постоянный ток стока ………………………………………………15 мА

Постоянное напряжение затвор-исток ………………………….....15 В

Постоянное напряжение сток-исток ……………………………….10 В

Постоянная рассеиваемая мощность:

при Т=-45…+25? С …..………………………………………………75 мВт

при Т=+85? С ….……...………………………………………………40мВт

Допустимая температура окружающей среды…………………-45…+85?С

Выходная характеристика

смотри справочник Брежнева, Гантман, Давыдова, Перельман

Сток-затворная характеристика

Схема включения транзистора

Схема включения МДП - транзистора с встроенным каналом с общим истоком и автоматическим смещением.

1. Построение нагрузочной прямой по постоянному току

Для схемы включения МДП - транзистора с встроенным каналом с общим истоком и автоматическим смещением уравнение нагрузочной прямой представляется в виде

Но сначала нагрузочная прямая строится в соответствии с уравнением:

Нагрузочная прямая строится по двум точкам:

1) I_С=0, U_СИ=Е_П;

2) U_СИ=0, I_С=Е_П/R_С.

Построение нагрузочной прямой:

1) при I_С=0, U_СИ=15 В.

2) при U_СИ=0, (мА).

Выбираем рабочую точку так, чтобы она находилась примерно на середине рабочей области выходной ВАХ транзистора, также учтем, что при построении уточнённой нагрузочной прямой, рабочая точка сместится влево. Смещение объясняется наличием сопротивления в цепи истока R_И. рабочая точка строится очень просто, см выше

По графику определяем ориентировочные значения параметров в рабочей точке:

I_C0= 3,8 мА

U_СИ0= 12,2 В

Uзи₀= -0,2 В

Чтобы обеспечить работу полевого транзистора с управляющим p-n переходом в заданном режиме, при выборе схемы истоковой стабилизации, необходимо выбрать величину резистора в цепи истока R_И:

;

R_И = 0,2/ 3,8*10^-3= 52,6Ом; из стандартного ряда Е24: R_И = 56 Ом

Определив значение Rи, уточним положение нагрузочной прямой:

Построение нагрузочной прямой с поправкой:

I_C = (E_П-U_СИ)/ (Rи+R_С) = (15-U_СИ)/ (56+750) = (15-U_СИ)/801

1) I_С =0, U_СИ =15 В

2) U_СИ =0, I_С =Е_П/(Rи+R_С)=15/801=18,7 мА

По построенному графику уточняем значения параметров в рабочей точке:

Ico= 3,8 мА

Uсиo= 12 В

Uзиo= -0, 2 В

2. Графическое определение малосигнальных параметров транзистора в окрестностях рабочей точки

Расчет статических параметров полевого транзистора по семейству выходных (стоковых) характеристик:

- крутизна характеристики полевого транзистора;

- внутреннее сопротивление транзистора;

- статический коэффициент усиления.

=310

3. Расчет величин элементов эквивалентной схемы транзистора

Эквивалентная схема полевого транзистора.

1) ССИ - емкость между стоком и истоком - выходная емкость (справочные данные) ССИ = 10,5 пФ

2) СЗС - емкость между затвором и стоком - проходная емкость (справочные данные) СЗС= 0,9 пФ

3) СЗК - емкость между затвором и каналом (справочные данные) СЗК= 7 пФ

4) Ri - внутреннее сопротивление транзистора Ri = 40 КОм

5) S - крутизна характеристики транзистора S= 7.75мА/В

6) RКАН - среднее сопротивление канала полевого транзистора, которое приближенно оценивается из соотношения RКАН = rК/4, где rК = UСИ0/IС0= 3158Ом RКАН = rК/4= 789.5Ом

4. Определение граничных и предельных частот транзистора

S - предельная частота проводимости прямой передачи полевого транзистора - частота, на которой S уменьшается в раз по сравнению со значением статической крутизны на нулевой частоте;

S = 1/ (2 RКАН СЗК) =1/ (2789.5710^-12) =28,8МГц

ГР - граничная частота усиления полевого транзистора - частота, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен единице,

ГР = S/(2ССИ)=7,7510^-3/(210,510^-12)=117.5МГц

5. Оценка частотных зависимостей Y-параметров транзистора.

Определим частотные зависимости системы Y-параметров полевого транзистора, используя следующие соотношения

1) - входная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора;

2) - проводимость обратной передачи, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора;

3) - проводимость прямой передачи, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора;

4) - выходная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора.

В приведенных соотношениях приняты следующие обозначения:

RКАН - среднее значение сопротивления канала полевого транзистора;

СЗК - емкость между затвором и каналом;

СЗС - емкость между затвором и стоком;

ССИ - емкость между стоком и истоком;

Ri - внутреннее сопротивление полевого транзистора;

S - статическая крутизна характеристики полевого транзистора (при = 0);

S = 2S - предельная частота проводимости прямой передачи.



6. Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменному току.

Оценим значение сопротивления нагрузки полевого транзистора по переменному току из соотношения

7. Построение нагрузочной прямой транзистора по переменному току

Нагрузочная прямая по переменному току полевого транзистора проходит через точку режима покоя (I_С0, U_СИ0) и через точку с координатами:

I_С = 0, U_СИ = I_С0 R_~+U_СИ0=3,8*10^-3*475,6+12=13,8 В

8. Построение сквозной характеристики

С использованием нагрузочной прямой по переменному току на выходных характеристиках транзистора построим сквозную характеристику:

I_с = (U_зи)

Сквозная характеристика транзистора - это зависимость амплитуды переменной составляющей выходного тока от значения амплитуды переменной составляющей входного напряжения.

Uвх.н=0,4В

9. Определение динамических параметров усилительного каскада

Определим динамические параметры усилительного каскада для двух величин амплитуды входного сигнала U_вх:

U_вх1 = U_{вх. н} ; U_вх2 = U_{вх. н}/2

и двух значений сопротивления нагрузки R_н:

R_н1 = ; R_н2 = R_н

1) Рассчитаем динамические параметры усилительного каскада на полевом транзисторе с использованием графоаналитического метода:

К_u = U_си/U_зи - коэффициент усиления по напряжению,

где приращения U_ЗИ = U_ВХ; U_СИ = U_ВЫХ выберем по нагрузочной прямой:

- при R_н1 = используем нагрузочную прямую для постоянного тока;

- при R_н2 = R_н используем нагрузочную прямую для переменного тока, на семействе выходных (стоковых) характеристик вблизи режима покоя полевого транзистора;

(1) U_вх1 = U_{вх. н}=0,4 В; R_н1 =

(используем нагрузочную прямую для постоянного тока)

К_u = U_си/U_зи =(14,1-10,3)/(0,2-(-0,6)) =4,75

(2) U_вх2 = U_{вх. н} /2= 0,2 В; R_н1 =

(используем нагрузочную прямую для постоянного тока)

К_u = U_си/U_зи =(13,2-10,7)/(0-(-0,4)) =6,25

(3) U_вх1 = U_{вх. н}=0,4 В; R_н1 = Rн

(используем нагрузочную прямую для переменного тока)

К_u = U_си/U_зи =(13,2-11)/( 0,2-(-0,6)) =2,75

(4) U_вх2 = U_{вх. н} /2= 0,2 В; R_н1 = Rн

(используем нагрузочную прямую для переменного тока)

К_u = U_си/U_зи =(12,7-11,4)/( 0-(-0,4)) =3,25

2) Оценим динамические параметры усилительного каскада на полевом транзисторе с помощью аналитических соотношений:

SДИН = (SRi)/(Ri+R~) - динамическая крутизна полевого транзистора,

Кu = SДИНR~ - коэффициент усиления по напряжению, при RН = вместо R~ необходимо подставлять значение RС.

Rн1 = :

SДИН = (SRi)/(Ri+R~)=(7,7560)/( 60+750)= 7,65 А/В

Кu = SДИНR~ = 7,65 750=5,73

Rн2 =Rн:

SДИН = (SRi)/(Ri+R~)=(7,7560)/( 60+475,6)= 7,69 А/В

Кu = SДИНR~ = 7,65475,6)=3,64

резистор усилительный каскад транзистор

10.  Оценка нелинейных искажений в усилительном каскаде.

Нелинейные искажения - это изменения формы колебания, обусловленные кривизной характеристик транзисторов, диодов, полупроводниковых конденсаторов, интегральных микросхем и других элементов. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое колебание. На этом и основана их простейшая оценка с помощью коэффициента гармоник, или коэффициента нелинейных искажений.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

где U₁, U₂, U₃ и т.д. - действующие значения отдельных гармоник выходного напряжения.

Оценим этот коэффициент методом пяти ординат по сквозной характеристике, который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоник входного сигнала.

Где - коэффициент второй гармоники;

- коэффициент третьей гармоники, определим графически.

Для этого на сквозной характеристике отметим пять точек соответствующих точке покоя (нулевая амплитуда входного сигнала), наибольшей амплитуде входного сигнала U_{ВХ. Н} (с учетом обеих полуволн), половине наибольшей амплитуды входного сигнала, т.е. (1/2)U_{ВХ. Н} (тоже с учетом обеих полуволн). По этим точкам вычислим значения отрезков , , , тогда

, .

a=9; b=7; c =9

Подставим ранее вычисленные коэффициенты a, b, c и рассчитаем коэффициент гармоник:

1. R_H1 = ?.

1). U_вх1 = U_{вх н} = 0,2 В.

; ;

2) U_вх1 =U_{вх н}/2 = 0,2 В.

; ;

2. R_H2 = R_H.

1) U_вх1 =U_{вх н} = 0,4 В.

; ;

2) U_вх1 =U_{вх н}/2 = 0,2 В.

; ;

11. Выбор резисторов в схеме усилительного каскада

Рассчитаем номинальную мощность рассеяния резисторов, исходя из их потребляемой мощности.

Мощности потребляемые резисторами делителя напряжения:

= = Е_П /(R1+ R2); = = 15 /(7,5+0.1)МОм =1,97мкА

= R1= *7,5МОм = 29,1 мкВт

= R2= *0,1МОм = 0,38 мкВт

Мощности потребляемые резисторами выходной цепи:

= I_C0U_СИ0= 43,2мВт

= I_C0= 0,658мВт

=1300Ом = 110,77мВт

Для обеспечения стабильной и надежной работы усилительного каскада выберем для всех резисторов номинальную мощность рассеяния равную 125 мВт.

12. Вывод по работе

В данной работе были рассчитаны основные параметры усилительного каскада на полевом транзисторе, параметры эквивалентной схемы замещения транзистора, построены графики частотных зависимостей Y- параметров.

Транзистор включается в усилительный каскад по схеме с общим истоком. В схеме присутствует делитель входного напряжения, необходимый для предотвращения сильных нелинейных искажений и тепловой неустойчивости транзисторов, а также для уменьшения нестабильности параметров усилительного каскада. Рабочая точка была выбрана с параметрами Uсио=12,3В, Uзи= -0,2В, Iсо=3,6мА. На основании выбранной рабочей точки была построена нагрузочная прямая, уточненная нагрузочная прямая и нагрузочная прямая по переменному току, и на их основе был получен коэффициент гармоник, а также были определены статические параметры полевого транзистора. В качестве рабочей области на сквозной характеристике был выбран максимально линейный участок, и графически определена максимальная амплитуда входного напряжения: Uвн=0.4 В. В ходе работы было получено, что коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада при сопротивлении нагрузки R_н1 стремящемся к бесконечности несколько больше, чем коэффициент усиления при R_н1=R_н, что подтверждает теорию. Разница в коэффициентах обусловлена различным углом наклона нагрузочных прямых, а, следовательно, и различными значениями амплитуды выходного напряжения. Динамический коэффициент усиления при Uвх2=Uвх/2 больше, чем коэффициент усиления при Uвх1=Uвх. Это обусловлено нелинейностью сквозной характеристики, следовательно, и зависимостью динамической крутизны от участка на которой она измеряется. В данном случае большее значение крутизны достигается при Uвх=Uвх/2, а следовательно и достигается больший коэффициент усиления. Общее время, потраченное на выполнение курсовой работы, составляет около 30 часов.

Список литературы

· Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

· Электроника: Методические указания к выполнению курсовой работы / В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (2002) 37стр.

· Курс лекций по электронике.

Приложение 1

Приложение 2

Поз. обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
1	2	3	4
	Резисторы
R1	МЛТ-0,125-7,5МОм10%	1
R2	МЛТ-0,125-0.1МОм10%	1
RС	МЛТ-0,125-0,75кОм10%	1
RН	МЛТ-0,125-1,3кОм10%	1
RИ	МЛТ-0,125-51Ом10%
	Транзистор
VT	КП313А	1

Размещено на Allbest.ru