Физические процессы в электрической схеме
Качественный анализ физических процессов в электрической схеме, которая представляет собой трехкаскадный широкополосный усилитель постоянного тока. Расчет параметров статики. Анализ схемы на ЭВМ. Схема с потенциалами всех точек. Частотная характеристика.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.06.2012 |
| Размер файла | 805,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и Науки Российской Федерации
Волгоградский государственный технический университет
Курсовая работа по микроэлектронике
Выполнил: Лапухин А.И.
Группа ВМЗ-09
Проверил: Нефедьев А.И.
ВОЛГОГРАД 2011
Содержание
1. Качественный анализ физических процессов в схеме
1.1 Анализ электрической схемы
1.2 Физические процессы в схеме
2. Расчет параметров статики
3. Анализ схемы на ЭВМ
3.1 Схема с потенциалами всех точек
3.2 Частотная характеристика
3.2.1 ЛАЧХ
3.2.2 ФЧХ
3.3 Оценка задержки элемента при переключении
3.4 Передаточная характеристика
1. Качественный анализ физических процессов в схеме
1.1 Анализ электрической схемы
Электрическая схема, приведенная в задании, представляет собой трехкаскадный широкополосный усилитель постоянного тока (УПТ) серии ТТЛШ.
В данном логическом элементе вместо обычных транзисторов применены транзисторы с диодом Шоттки, включенном между базой и коллектором (транзистор Шоттки) и открывающемся при напряжении 0,3В которое фиксируется на коллекторном переходе (Uкэ = 0,3В). При этом базовый ток Iб течет через открытый диод Шоттки и коллекторный переход транзистора, что приводит к уменьшению времени их выключения и снижает потребляемую мощность.
1-й каскад - многоэмиттерный транзистор (МЭТ), который в статике представляет собой набор диодов. МЭТ реализует основную логическую функцию «И» для входных каналов X1,X2 и Х3. Диоды VD1, VD2, VD3 служат для защиты эмиттерных переходов МЭТа от пробоя.
2-й каскад - VТ2 - каскад ОЭ, но с местной ОС, в результате получается каскад с двумя противофазными выходами, или паро-фазный каскад.
3-й каскад - квазикомплементарный каскад усиления мощности; нижнее плече каскада VT4, верхнее - составной VT6-VT3, или VT6,VT3, включенные по схеме Дарлингтона. VT6-VT3 определяет выходной ток "1" (открытые транзисторы обеспечивают на выходе "1"), а транзистор VT4 обеспечивает на выходе "О".
Резистор R6, присутствующий в этой схеме, ограничивает в выходном каскаде сквозной ток к.з. транзисторов VT5 и VT6. За время формирования выходных перепадов есть момент, когда оба транзистора открыты (полуоткрыты). Без резистора R5 импульс тока к.з. достигнет 25--50 мА. При частом следовании импульсов выходные транзисторы быстро нагреваются. Резистор R5 принимает на себя часть этого тока и защищает выходные транзисторы от перегрева. Также R5 уменьшает разность токов «0» и «1» и кроме того VT4 никогда не бывает заперт.
1.2 Физические процессы в схеме
Данная схема может находиться в различных состояниях в зависимости от логических уровней на входах. Логический элемент выполняет функцию 3И-Е.
а) На входы Х1,Х2,Х3 подается сигнал высокого уровня Х123 = "1",т.е. Ux1x2 ? 2.4В.
Переходы база-эмиттер МЭТа VT1 закрываются. Ток от источника питания через резистор R1 и открытый переход база-коллектор МЭТа VT1 поступает в базу транзистора VT2. Переход база-эмиттер транзистора VT2 открывается, что создает условия для поступления тока через эмиттерно-коллекторный переход этого транзистора на базы транзисторов VT3 и VT6 (обеспечивающие уровень логического «0»). Транзистор VT6 открывается и через открытый переход эмиттер-коллектор выход Y данной схемы оказывается подключен к отрицательному выводу источника питания. Таким образом на выходе устанавливается уровень напряжения логического "О" Uвых?0,3в (ЛЭ с диодами Шотки). При этом эмиттерный повторитель на составном транзисторе VT4-VT5 закрывается напряжением низкого уровня с коллектора транзистора VT2.
б) Хотя бы на один из входов Х1,Х2 или Х3 подается сигнал низкого уровня Х="О", т.е. U0вх0.3В. Переходы база-эмиттер МЭТа VT1 открываются. При этом появляется входной стекающий ток низкого уровня от положительного полюса источника питания +5В через базовый резистор R1 и переходы база-эмиттер, имеющие малое сопротивление, в источник входного сигнала. Поэтому силу тока нормирует резистор R1. Переход база-коллектор транзистора МЭТ VT1 закрыт, на коллекторе устанавливается низкий уровень напряжения, поступающий в базу транзистора VT2. Транзистор VT2 закрывается и на его эмиттере устанавливается напряжение низкого уровня, близкое к нулю, которое закрывает транзистор VT6. При этом на коллекторе VT2 устанавливается напряжение, близкое к напряжению питания, открывающее током, текущим через резистор R2, переход база-эмиттер составного транзистора VT4 - VT5 (один эмиттерный повторитель работает на другой эмиттерный повторитель - схема Дарлингтона), вызывая ток и обеспечивая на его эмиттере (выход Y схемы) уровень напряжения логической "1" т.е.? 2,4В.
Таблица состояний
|
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Y |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
2. Расчет параметров статики
На вход логического элемента поданы «1», на выходе «0».
При этом: U1вх?2.4 и U0вых?0.3
В этом случае ток с источника питания через резистор R1, поступает на базу МЕТа VT1. И оттуда, через коллектор, так как эмиттерные переходы МЕТа закрыты, ток открывает VT2. В этом случае VT6 тоже открыт. VT4 открыт всегда при наличии резистора R5. Так как для открытого транзистора Шоттки Ube=0.7, то
Ub2=Ube2+Ube6=0.7+0.7=1.4
Ub1=Ubk1+Ub2=0.4+1.4=1.8
Ub1- U1вх=1.8-2.4= -0.6
0.6-(-0.6)=1.2
Таким образом VT1 заперт с запасом ?1.2 В.
Ub4=Uk2=Ub2-Ubk2=1.4-0.4=1
Ue4=Ub4-Ube4=1-0.7=0.3
Это дает возможность утверждать, что VT5 заперт с запасом ?0.7-0.3=0.4, тогда: ie4=I5=Ue4/R5=25 мкА
ib4=ie4/101=0.25 мкА
I6=ik4=ie4-ib4=24.75 мкА
Uk4=Uп-I6*R6=4.99 В
I2=(Uп-Ub4)/R2=0.33 мА
ib2=I1=(Uп-Ub1)/R1=80 мкА
ik2=I2-ib4=329.8 мкА
ie2=ik2+ib2=0.41 мА
ib6=ie2/2=0.21 мА
I0потр=I1+I2+I6=0.43мА
P0потр= I0потр*Uп=2.17 мВт
На вход логического элемента подан хотя бы один «0», на выходе «1».
При этом: U1вых?2.4 В
U0вх?0.3 В
I1вых=0.4 мА
В этом случае ток с источника питания через R2 и R6 поступает на открытый VT4-VT5, а через резистор R1 и открытые эммитерные переходы МЕТа стекает в источник нуля.
Ub1=Ube1+ U0вх=0.7+0.3=1 В
I1=(Uп-Ub1)/R1=0.1 мА
Ub2=Ub1-Ubk1=1-0.4=0.6 В
Этого напряжения не хватит, чтобы открыть VT2 и VT6. Следовательно, напряжение на коллекторе VT2 можно считать равным Uп, это дает возможность рассчитать ток на R5:
I5?ie4=(Uп-Ube4)/R5=358 мкА т.к. Uk2=Ub4?Uп=5 В
Ub5=Ue4=Ub4-Ube4=4.3 В
Ue5=Ub5-Ube5=3.6 В
I2=ib4=ie4/101=3.54 мкА
ik4=ie4-ib4=361.54 мкА
ie5= I1вых=0.2 мА
ib5=ie5/101=1.98 мкА
ik5=ie5+ib5=198 мкА
I6=ik4+ik5=560 мкА
Uk4=Uп-I6*R6=4.72 В
I1потр=I1+I2+I6=1.56 мА
P1потр= I1потр*Uп=7.8 мВт
3. Анализ схемы на ЭВМ
3.1 Схема с потенциалами всех точек
При анализе схемы на ЭВМ были сделаны следующие упрощения:
1) транзисторы Шоттки были заменены эквивалентной схемой, в которой использованный диод Шоттки имеет рабочее напряжение 4,5В, что отличается от принятого в расчетах 0,4 В
2) у использованных при анализе на ЭВМ транзисторах рабочее напряжение составляет 0,75 В, а не 0.7 как у транзисторов Шоттки.
На вход логического элемента поданы «1», на выходе «0».
На вход логического элемента подан хотя бы один «0», на выходе «1».
Показаний вольтметров вполне достаточно, чтобы просчитать все остальные параметры и сделать вывод о некотором расхождении (15%) с рассчитанными значениями из-за разброса значений реальных характеристик.
3.2 Частотная характеристика
электрический частотный статика ток
Для получения частотных характеристик необходимо, чтобы все транзисторы были в активном режиме, для этого использовалась схема:
в которой был использован неидеальный транзистор со следующими характеристиками: в=100
Rб=10 Ом
Ск=5 пкФ
f=1 Гцч100 gГц
ЛАЧХ:
ЛАЧХ, при частоте 1 МГцч100 МГц, убывает со скоростью 12 дб/дек
ФЧХ:
ФЧХ, при частоте 1 МГцч100 МГц, убывает со скоростью 66 град/дек
3.3 Оценка задержки элемента при переключении
При анализе данной схемы была получена следующая осциллограмма
Она же в увеличенном масштабе:
Т.о. переключение из 1 в 0:
Переключение из 0 в 1:
3.4 Передаточная характеристика
Расчет коэффициента усиления схемы
Упростим схему: заменим МЭТ VT1 на транзистор VT1. Таким образом, анализ будем проводить для схемы инвертора.
Рассмотрим данную схему в динамическом режиме, когда все транзисторы находятся в открытом состоянии. С учетом передаточной характеристики, Uвх = Uвых = 1,2В, тогда, так как все транзисторы находятся в открытом состоянии, получим следующие потенциалы:
UбVT1 = 1,2 + 0,7 = 1,9 В;UбVT6 = 0,7 В;UбVT2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 В;
UбVT5 = 1,2 + 0,7 = 1,9 В;UбVT4 = 1,9 + 0,7 = 2,6 В.
Рассчитаем токи:
IR1 = (EП - UбVT1) / R1 = (5 - 1,9) / 40k = 77,5 мкА
IR2 = (EП - UбVT4) / R2 = (5 - 2,6) / 12k = 0,2 мА
IR5 = UбVT5 / R5= 1,9 / 12k = 158 мкА
Базовый ток транзистора VT4 в (+1) 100 раз меньше тока IR6, т.е.
IбVT4 = 1,58 мкА
Тогда коллекторный ток транзистора VT2 составляет:
IкVT2 = IR2 - IбVT4 = 0,2 мА - 1,58 мкА 198 мкА
IбVT2 = IкVT2 / = 198 мкА / 100 = 1,98 мкА
IэVT2 = IкVT2 + IбVT2 = 198 мкА + 1,98 мкА = 0,2 мА
При этом основной входной ток схемы составляет:
Iвх = IR1 - IбVT2 = 77,5 мкА - 1,98 мкА = 75,5 мкА
Предположим, что к выходу схемы подключено 10 входов, аналогичных рассчитанному, тогда
Iвых = 10 Iвх = 0,755 мА
Транзисторы VT5 и VT6 открыты, следовательно, через них течет сквозной ток, величина которого в основном ограничивается резистором R6. С учетом того, что R6 высокоомный резистор:
Iскв = IR6 EП / (2R6) = 5 / (2500) = 5 мА
(так как резистор R6 высокоомный, то получившуюся величину сквозного тока можно считать приемлемой)
Определим токи транзистора VT6:
IкVT5 = Iскв - IкVT4 = 5 мА - 156 мкА 4,8 мА
IбVT5 = IкVT5 / = 4,8 мА / 100 = 48 мкА
IэVT5 = IкVT5 + IбVT5 = 4,8 мА + 48 мкА = 4,85 мА
С учетом полученного тока базы транзистора VT5, рассчитаем эмиттерный ток транзистора VT4
IэVT4 = IR5 + IбVT5 = 158 мкА + 48 мкА = 0,2 мА
Вычислим коллекторный ток транзистора VT4:
IкVT4 = IэVT4 - IбVT4 = 0,2 мА - 1,58 мкА 0,2 мА
Определим токи транзистора VT6:
IкVT6 = IэVT5 + Iвых = 4,85 мА + 0,755 мА = 5,6 мА
IбVT6 = IкVT6 / = 5,6 мА / 100 = 56 мкА
IэVT6 = IкVT6 + IбVT6 = 5,6 мА + 56 мкА = 5,66 мА
Анализ схемы показывает, что она состоит из трех усилительных каскадов:
1) Каскад ОБ (с общей базой) на транзисторе VT1,
2) Каскад с местной обратной связью (СМОС) на транзисторе VT2,
3) Каскад ЭП (эмиттерный повторитель) на составном транзисторе VT4,VT5.
Рассмотрим транзистор VT6:
Определим крутизну прямой передачи:
S6 IЭ0 / Т = 5,66 мА / 25мВ = 226,4 мА/В
и входное сопротивление:
h116 = rб + (Т / IК0) (h21+1) (25мВ/5,6 мА) 101 = 451 Ом
Рассмотрим транзисторы VT4 и VT5:
S5 = 4,85 мА / 25мВ = 194 мА/В
S4 = 0,2 мА / 25мВ = 8 мА/В
h115 = rб + (Т / IК0) (h21+1) (25мВ/4,85 мА) 101 = 521 Ом
h114 = rб + (Т / IК0) (h21+1) (25мВ/0,2 мА) 101 = 12625 Ом
Рассмотрим транзистор VT2, на котором собран усилительный каскад с местной обратной связью:
S2 = 0,2 мА / 25мВ = 8 мА/В
Rвх2 = h112 + Rэ(h21 + 1) = h112 + Rвх6(h21 + 1) = (25мВ / 0,2 мА)101 + 451 Ом 101 = 58,2 кОм.
Рассмотрим транзистор VT1:
IК0VT1 = 1,98 мкА
S1 = 1,98 мкА / 25мВ = 0,0792 мА/В
Рассчитаем коэффициент усиления схемы:
КОБ = S1Rн.экв = S1Rвх2 =0,0792 мА/В 58,2 кОм 4,61
КСМОС=( S2R2)/(1+ S2 h116)=(8мА/В 12 кОм)/(1+8 451)=20,8
КОБЩ = КОБ КСМОС КЭП =4,61 20,8 1 96
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методы измерения тока и напряжения. Проектирование цифрового измерителя мощности постоянного тока. Выбор элементной базы устройства согласно схеме электрической принципиальной, способа установки элементов. Расчет экономической эффективности устройства.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 21.07.2011Основные параметры усилителей мощности. Чувствительность акустической системы. Описание схемы электрической структурной. Анализ схемы электрической принципиальной. Условия эксплуатации. Расчет теплового режима устройства. Суммарная интенсивность отказов.
курсовая работа [360,2 K], добавлен 01.07.2013Составление и расчет электрической схемы, выбор радиодеталей и составление перечня их. Выбор и обоснование структурной схемы усилителя. Расчет оконечного каскада усилителя. Построение результирующей амплитудной и фазовой характеристик усилителя.
курсовая работа [467,3 K], добавлен 11.07.2012Анализ основных методов расчёта линейных электрических цепей постоянного тока. Определение параметров четырёхполюсников различных схем и их свойства. Расчет электрической цепи синусоидального тока сосредоточенными параметрами при установившемся режиме.
курсовая работа [432,3 K], добавлен 03.08.2017Моделирование трехкаскадного транзисторного усилителя по схеме с общим эммитером (ОМ) в системе PSPICE-AD. Вид сигнала экспоненциальный, напряжение питания 9В, коэффициент усиления 1000000. Анализ работы схемы при трех различных температурах: 0, 25, 100 C
курсовая работа [196,7 K], добавлен 06.12.2010Выбор и анализ структурной схемы усилителя постоянного тока. Расчет дифференциального каскада усилителя, определение величины напряжения питания. Выбор транзисторов, расчет номинала резисторов. Коэффициент усиления конечного и дифференциального каскадов.
курсовая работа [197,2 K], добавлен 12.01.2015Составление баланса мощностей для электрической схемы. Расчет сложных электрических цепей постоянного тока методом наложения токов и методом контурных токов. Особенности второго закона Кирхгофа. Определение реальных токов в ветвях электрической цепи.
лабораторная работа [271,5 K], добавлен 12.01.2010Анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования. Графическое обозначение коммутатора К590КН6 на схеме электрической принципиальной. Функциональная схема коммутатора аналогового сигнала. Расчет на структурном уровне.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 07.11.2012Назначение и описание выводов инвертирующего усилителя постоянного тока К140УД8. Рассмотрение справочных параметров и основной схемы включения операционного усилителя. Расчет погрешностей дрейфа напряжения смещения от температуры и входного тока.
реферат [157,8 K], добавлен 28.05.2012Выбор и обоснование структурной схемы широкополосного предварительного усилителя. Расчет оконечных каскадов тракта и номиналов конденсаторов. Входной, промежуточный усилительный и дифференциальный каскады. Выбор режимов покоя транзисторов в каскадах.
курсовая работа [514,5 K], добавлен 25.05.2010
