Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики Межрегиональный центр переподготовки специалистов КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств» Выполнил: Группа: Вариант: 1 Принял: Новосибирск, 2023 г. СОДЕРЖАНИЕ Задание на контрольную работу ............................................................................ 3 1. Выбор режима работы транзистора .................................................................. 7 2. Расчет сопротивлений схемы ........................................................................... 10 3. Определение входного сопротивления каскада ............................................. 12 4. Расчет стабилизации режима работы транзистора ........................................ 13 5. Построение нагрузочной прямой по постоянному току ............................... 14 6. Построение нагрузочной прямой по переменному току .............................. 16 7. Расчет реактивных элементов схемы ............................................................. 17 Задание на контрольную работу Выполнить расчет элементов схемы предварительного каскада усиления на биполярном транзисторе с эмиттерной стабилизацией (рисунок 1 в соответствие с заданным вариантом) с исходными данными, указанными в таблице 1. № варта 1 Тип Тс мах транзистора С КТ3102А 40 (n – p – n) Еп Rвх сл Im вх сл Rист fн Мн В 12 Ом 400 кОм 1 Гц 100 дБ 2,5 мА 2 Схема (рис.) 1 Еп + Rк Ср2 Rб1 Rист Ср1 VT1 Uист Rэ Rвх сл Сн Umвх.сл Сэ Rб2 Рисунок 1 – Каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе с эмиттерной стабилизацией Текст пояснительной записки должен включать: 1. Схему рассчитываемого усилителя. 2. Выбор режима работы транзистора. 3. Расчет цепей питания по постоянному току (сопротивлений схемы). 4. Построение нагрузочной прямой по постоянному току (с обоснованием процесса построения). 5. Определение входного сопротивления усилительного каскада по переменному току. 6. Расчет стабилизации режима работы транзистора. 7. Расчет разделительных емкостей и емкости в цепи эмиттера транзистора. Справочные данные транзистора показаны в таблице 2. к, пс Тип транзистора Структура h21э Iкб0 (Т) мкА (С) Сбк, пФ КТ3102А n–p–n 100…250 0,05 (25) 5 (85) 6 fh21э, МГц Кш, дБ Uкэ макс, В Iк макс, мА Рк макс, Вт Тп макс, С RТ П-С, (С / мВт) 1,5 10 50 100 0,25 125 0,4 Сбэ, пФ 100 Входные характеристики транзистора показаны на рисунке 2, выходные — на рисунке 3. 𝐼б , A 𝑈кэ = 0 В 𝑈кэ = 5 В 𝑈бэ , В Рисунок 2 — Входные характеристики транзистора 𝐼к , A 200 мкА 150 мкА 100 мкА 50 мкА 𝐼б = 10 мА 𝑈кэ , В Рисунок 3 — Выходные характеристики транзистора 1. Выбор режима работы транзистора Выбираем точку покоя транзистора согласно соотношениям: iк0 (2…5)Im вх сл, iк0 1 мА; Uк0 (1,2…1,5) Uк нас + (1,5…3) Um вх сл, где Um вх сл = Im вх сл Rвх сл. 𝑈𝑚 вх сл = 𝐼𝑚 вх сл 𝑅вх сл = 2 ⋅ 10−3 ⋅ 400 = 0,8 В. 𝑈к0 ≥ (1,2 … 1,5)𝑈к нас + (1,5 … 3)𝑈𝑚 вх сл = = (1,2 … 1,5) ⋅ 1 + (1,5 … 3) ⋅ 0,8 = 2,4 … 3,9 В. 𝑖к0 = (2 … 5)𝐼𝑚 вх сл = (2 … 5) ⋅ 2 ⋅ 10−3 = (4 … 10) ⋅ 10−3 А. Берём 𝑈к0 = 4 В; 𝑖к0 = 6 мА. Ток базы в рабочей точке находим по выходным характеристикам (рисунок 1.1): 𝑖б0 = 38 мкА. Напряжение база-эмиттер в рабочей точке находим по входным характеристикам (рисунок 1.2): 𝑈б0 = 0,68 В. Находим средний коэффициент передачи транзистора по току: ℎ21э = √ℎ21э мин ∙ ℎ21э макс = √100 ∙ 250 = 158. 𝐼к , A 200 мкА 150 мкА 100 мкА 50 мкА 38 мкА 𝐼б = 10 мкА 𝑈кэ , В Рисунок 1.1 — Рабочая точка каскада на выходных характеристиках 𝐼б , A 𝑈кэ = 0 В 𝑈кэ = 5 В 𝑈бэ , В Рисунок 1.2 — Рабочая точка каскада на входных характеристиках 2. Расчет сопротивлений схемы Для уменьшения шунтирования сопротивлением 𝑅к входа следующего каскада рекомендуется выбирать его из условия (2 … 6) 𝑅вх сл = (2 … 6) ∙ 400 = 800 … 2400 Ом. 𝑅к Берём 𝑅к = 1000 Ом. Сопротивление Rэ определяется с учетом уравнения Кирхгофа для выходной цепи каскада: 𝐸п = 𝑈к0 + 𝑈𝑅к + 𝑈𝑅э . 𝑈𝑅к = 𝑅к 𝑖к0 = 1000 ∙ 6 ⋅ 10−3 = 6 В; 𝑅э = 𝐸п − 𝑈к0 − 𝑈𝑅к 12 − 4 − 6 = = 331 Ом. 𝑖к0 + 𝑖б0 6 ⋅ 10−3 + 38 ⋅ 10−6 Округляем до ближайшего стандартного номинала: 𝑅э = 330 Ом. 𝑈𝑅э = 𝑅э (𝑖к0 + 𝑖б0 ) = 330 ∙ (6 ⋅ 10−3 + 38 ⋅ 10−6 ) = 1,99 В; Сопротивления в цепи делителя напряжения: 𝑅б2 = 𝑅б1 = 𝑈б0 + 𝑈𝑅э 0,68 + 1,99 = = 5,34 ⋅ 103 Ом = 5,34 кОм; −3 𝑖д 0,5 ⋅ 10 𝐸п − 𝑈б0 − 𝑈𝑅э 24 − 4,15 − 0,708 + 1,45 = = 1,73 ⋅ 104 Ом = 𝑖д + 𝑖б0 0,5 ⋅ 10−3 + 75 ⋅ 10−6 = 17,3 кОм. Округляем до ближайшего стандартного номинала: 𝑅б1 = 18 кОм; 𝑅б2 = 5,2 кОм. Находим мощность, рассеиваемую резисторами. 2 𝑃𝑅б1 = (𝑖д + 𝑖б0 ) 𝑅б1 = (0,5 ⋅ 10−3 + 38 ⋅ 10−6 )2 ⋅ 18 000 = 0,0052 Вт; 𝑃𝑅б2 = 𝑖д 2 𝑅б2 = (0,5 ⋅ 10−3 )2 ⋅ 4300 = 0,0013 Вт; 2 𝑃𝑅к = 𝑖к0 𝑅к = (6 ⋅ 10−3 )2 ⋅ 1000 = 0,036 Вт; 𝑃𝑅э = (𝑖к0 + 𝑖б0 )2 𝑅э = (6 ⋅ 10−3 + 38 ⋅ 10−6 )2 ⋅ 330 = 0,0120 Вт; Выбираем следующие резисторы: 𝑅б1 : С2-33Н – 0,125 – 18 кОм ± 10 % 𝑅б2 : С2-33Н – 0,125 – 5,2 кОм ± 10 % 𝑅к : С2-33Н – 0,25 – 1 кОм ± 10 % 𝑅э : С2-33Н – 0,125 – 330 Ом ± 10 % 3. Определение входного сопротивления каскада Входное сопротивление каскада (Rвх) для схем рисунков 1 и 2 определяется как параллельное соединение сопротивлений делителя (R, R б) и входного сопротивления транзистора, включенного с ОЭ (Rвхэ): 1 1 1 −1 𝑅вх = ( + + ) , 𝑅вхэ 𝑅б1 𝑅б2 где 𝑅вхэ = 𝑟б + 𝑟э (1 + ℎ21э ) = 𝑟б + 0,026 𝑖к0 (1 + ℎ21э ) – входное сопротивление транзистора, включенного с общим эмиттером. В случае отсутствия в справочнике значения 𝑟б можно взять его равным 50 Ом или определить графически по входной статической характеристике (используя верхний участок характеристики, приведенный при максимальных токах базы). 𝑅вхэ = 50 + 0,026 (1 + 158) = 739 Ом; 6 ⋅ 10−3 1 1 1 −1 𝑅вх = ( + + ) = 625 Ом. 739 18 000 5200 4. Расчет стабилизации режима работы транзистора Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора: 𝑃к = 𝑈к0 𝑖к0 = 4 ⋅ 6 ⋅ 10−3 = 24 ⋅ 10−3 Вт = 24 мВт. Максимальное значение температуры p–n–перехода транзистора: 𝑇п 𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑐 + 𝑅пс ⋅ 𝑃к = 40 + 0,42 ⋅ 24 = 50,1 ℃. Неуправляемый обратный ток коллектора 𝐼кб0 = 𝐼кб0(Т) ∗ 3 𝑇п 𝑚𝑎𝑥 −𝑇 50,1−25 10 = 0,05 ⋅ 10−6 ⋅ 3 10 = 0,788 мкА. Приращение коллекторного тока без учета действия элементов стабилизации ∆𝑖к0 𝑚𝑎𝑥 = 𝑖б0 ℎ21э 𝑚𝑎𝑥 + 𝐼кб0 𝑚𝑎𝑥 (1 + ℎ21 э 𝑚𝑎𝑥 ) − 𝑖к0 = = 38 ⋅ 10−6 ⋅ 250 + 5 ⋅ 10−6 ⋅ (1 + 250) − 6 ⋅ 10−3 = 4,76 ⋅ 10−3 А = = 4,76 мА. Сопротивление делителя: 𝑅д = 𝑅б1 𝑅б2 5200 ⋅ 18 000 = = 4030 Ом = 4,03 кОм. 𝑅б1 + 𝑅б2 5200 + 18 000 Приращение коллекторного тока с учетом эмиттерной стабилизации ∆𝑖к0 𝑚𝑎𝑥 4,76 ⋅ 10−3 ∆𝑖к0 ОС = = = 0,259 ⋅ 10−3 𝑅 (1 + ℎ21 э 𝑚𝑎𝑥 ) 330 ⋅ (1 + 250) 1+ э 1+ 𝑅д + 𝑅вх э 4030 + 739 = 0,259 мА. 5. Построение нагрузочной прямой по постоянному току При построения нагрузочной прямой по постоянному току запишем уравнение Кирхгофа для выходной цепи транзистора по постоянному току 𝐸п = 𝑈кэ + 𝑖к 𝑅н= , где 𝑅н= = 𝑅к + 𝑅э — сопротивление в цепи коллектора по постоянному току. 𝑅н= = 𝑅к + 𝑅э = 1000 + 330 = 1330 Ом ≈ 1,33 кОм. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: При 𝑈кэ = 0 В: 𝑖к = 12 − 0 = 9,02 ⋅ 10−3 А = 9,02 мА. 1330 При 𝑈кэ = 𝐸п = 12 В: 𝑖к = 12 − 12 = 0. 1330 Нагрузочная прямая показана на рисунке 5.1 красным цветом. На рисунке также показано смещение рабочей точки за счёт температурного дрейфа тока коллектора ∆𝑖к0 ОС = 0,259 мА. Как видно из рисунка, напряжение эмиттер-коллектор уменьшается до 3,7 В, что значительно превышает амплитудное значение выходного сигнала, равное 0,8 В. Следовательно, в заданном диапазоне температур усилитель работоспособен, температурная стабилизация режима каскада правильно выполняет свою функцию. 𝐼к , A 200 мкА 150 мкА 100 мкА 50 мкА 𝐼б = 10 мкА 𝑈кэ , В Рисунок 5.1 — Нагрузочная прямая по постоянному току 6. Построение нагрузочной прямой по переменному току Нагрузочная прямая по переменному току строится согласно уравнению 𝑈’кэ = 𝑈кэ0 − (𝑖к − 𝑖к0 )𝑅к~ , где 𝑅к~ = Откуда 𝑅н 𝑅к 𝑅вх сл 𝑅к 400 ⋅ 1000 = = = 286 Ом. 𝑅н + 𝑅к 𝑅вх сл + 𝑅к 400 + 1000 𝑖к = 𝑖к0 + 𝑈кэ0 − 𝑈’кэ . 𝑅к~ Для построения нагрузочной прямой возьмём две точки: ′ При 𝑈кэ = 0 В: 𝑖к = 6 ⋅ 10−3 + 4−0 = 20 ⋅ 10−3 А = 20 мА. 286 При 𝑖к = 0 А: ′ 𝑈кэ = 𝑖к0 ⋅ 𝑅к~ + 𝑈кэ0 = 6 ⋅ 10−3 ⋅ 286 + 4 = 5,716 В. Нагрузочная прямая по переменному току изображена на рисунке 5.1 зелёной линией. 7. Расчет реактивных элементов схемы К реактивным элементам относятся входная (𝐶р1 ) и выходная (𝐶р2 ) разделительные емкости, а также емкость в цепи эмиттера транзистора (𝐶э ). Поскольку все эти емкости вносят частотные искажения на нижних частотах, их расчет производится таким образом, чтобы на нижней рабочей частоте результирующие частотные искажения не превышали допустимых значений. Общие частотные искажения на нижних частотах в децибелах: 𝑀н,дБ = 𝑀нр1,дБ + 𝑀нр2,дБ + 𝑀нэ,дБ . или в относительных единицах 𝑀н = 𝑀нр1 𝑀нр2 𝑀нэ . Распределим частотные искажения следующим образом: 𝑀н,дБ = 2,5 дБ; 𝑀нр1,дБ = 0,5 дБ; 𝑀нр2,дБ = 0,5 дБ; 𝑀нэ,дБ = 1,5 дБ. Переводим выбранные коэффициенты в относительные единицы по формуле 𝑀дБ 𝑀 = 10 20 . Получаем 0,5 𝑀нр1 = 𝑀нр2 = 10 20 = 1,059; 1,5 𝑀нэ = 10 20 = 1,189. Откуда находим ёмкости конденсаторов: 𝐶р1 = 1 = 2 2𝜋𝑓н (𝑅ист + 𝑅вх )√𝑀нр1 −1 1 2𝜋 ∙ 100 ∙ (1000 + 625)√1,0592 − 1 = = 2,81 ⋅ 10−6 Ф = 2,81 мкФ. 𝐶р2 = 1 2 2𝜋𝑓н (𝑅к + 𝑅вх сл )√𝑀нр2 −1 = 1 2𝜋 ∙ 100 ∙ (1000 + 400)√1,0592 − 1 = = 3,26 ⋅ 10−6 Ф = 3,26 мкФ. 2 (1 + 𝑆э 𝑅э )2 − 𝑀нэ 1 √ 𝐶э = , 2 −1 2𝜋𝑓н 𝑅э 𝑀нэ где 𝑆э = ′ 𝑅ист =( 1 1 1 −1 1 1 1 −1 + + + + ) =( ) = 801 Ом; 𝑅ист 𝑅б1 𝑅б2 1000 18 000 5200 𝑆э = 𝐶э = 1 + ℎ21э ; ′ 𝑅вх + 𝑅ист 1 + 158 = 0,112; 625 + 801 (1 + 0,112 ∙ 330)2 − 1,1892 1 √ = 2,84 ⋅ 10−4 Ф = 284 мкФ. 2 2𝜋 ∙ 100 ∙ 330 1,26 − 1 Выбираем следующие конденсаторы: 𝐶р1 , 𝐶р2 : К73-11 – 63 В – 3,3 мкФ ± 10 %. 𝐶э : К50-24 – 50 В – 470 мкФ +50 –20 %.
