Задача № 1 Рассчитать и построить ВАХ идеализированного кремниевого диода в пределах изменения напряжения от – 5 до + 0.7 В при Т=300 К и обратном токе насыщения, равном I0 . Значение теплового потенциала φT= kT/ q при Т=300 Кпринять равным 0.026 В. Определить дифференциальное rдиф. и статическое сопротивление R0 диода для заданного значения Uпр . Величины I0=0.4 нА , Uпр=0.2 В
Расчет ВАХ проведем в соответствии с выражением , в котором величина I0представляет тепловой ток p-n–перехода, называемыйтакже током насыщения. Для комнатной температурытепловой потенциалφТ= kT/ q = 0.026 (B). Результаты расчета прямой ветви (U>0) ВАХ представлены в табл. 1.1. Таблица 1.1
Результаты расчета обратной ветви (U<0) представлены в табл. 1.2. Таблица 1.2 Uпр , В 0 -0.05 -0.1 -0.2 -1 -2 -5 Iпр , нА 0 -0.341 -0.392 -4 -4 -4 -4
График построенной ВАХ диода изображена на рис. 1.2. Для определения дифференциального сопротивлениядиода , выбрав напрямой ветви вольт-амперной характеристики рабочую точку А изадав небольшое приращение напряжения ΔU, получают прира- щение тока ΔI (рис. 1.2). Тогда Изменение напряжения ΔU и соответствующее ему изменение тока ΔI можно найти, пользуясь расчетными значениями, сведенными в таблицу. Аналитическое выражение для дифференциального сопротивления диода (сопротивления переменному току) получим, взяв производную из выражения для ВАХ диода
Статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току) в рабочей точке А определяется как отношение напряжения в рабочей точке к току. (Ком) При этом всегда выполняется условие R0 >rдиф .
Рис. 1.1 ВАХ диода
Задача № 2 Cтабилитрон подключён для стабилизации напряжения параллельно ре- зистору нагрузки RН . Параметры стабилитрона Uст=9 B ; Iст min=5 мА; Iст max=30 мА; сопротивление нагрузки RН=1 КОм . Определите величину сопротивления ограничительного резистора Rогр , если входное напряжение Uвх изменяется от Uвх min = 20 B до Uвх max = 30 В. Будет ли обеспечена стабилизацияво всём диапазоне изменения входного напряжения Uвх ?
Выберем средний ток стабилитрона из условия
Необходимая величина входного напряжения
Ток нагрузки
Тогда
Диапазон изменения входного напряжения определяется следующими Границами
Uвх min = Uст + (Iст min + IН) ⋅Rогр=9+(5+9 )⋅0.6=17.4 (В) Uвх max = Uст + (Iст max + IН)⋅Rогр=9+(30+9)⋅0.6=32.4 (В)
Вывод: стабилизация напряжения осуществляется во всём диапазоне из- менения входного напряжения.
Рис.1.2
Задача № 3 Пользуясь справочными данными, приведите семейство входных и вы- ходных характеристик БТ с ОЭ. В качестве независимых переменных используйте входное и выходное напряжение. Тип транзистора в соответствии с шифром КТ3127A. Поясните поведение входных и выходныххарактеристик транзистора. По справочнику установите максимально допустимые параметры БТ: по- стоянный ток коллектора IК max ; напряжение коллектор–эмиттер UКЭmax ; мощность рассеиваемую коллектором транзистора PК max . На семейство выходных характеристик нанесите границы области допустимых режимов работы. Задайтесь положением рабочей точки и, пользуясь характеристиками, рассчитайте для нее значения h-параметров БТ. На основании полученных числовых значений параметров рассчитайте параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора и изобразите ее.
Справочные параметры заданного транзистора.
постоянный ток коллектора IК max = 20 (мА) напряжение коллектор–эмиттер UКЭ max = -20 (В) мощность, рассеиваемая коллектором транзистора РК max = 0.1 (Вт)
Изображаем входные и выходные характеристики заданного транзистора, проводим на ней соответствующие построения и выбираем рабочую точку А. Для точки А рассчитываем значения h-параметров.
h11Э= (U//БЭ- U/БЭ)/ (I//Б- I/Б)= (0.79- 0.76)(B)/ (0.25-0. 15)(мА)= 3000 (Ом)- – входное сопротивление в режиме короткого замыкания (КЗ) на выходе;
h12Э= (U//БЭ- U/БЭ)/ (U//КЭ- U/КЭ)= (0.79- 0.76)/ (12.8- 4)= 0.034 – коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (ХХ) по входу;
h21Э= (I//K- I/K)/ (I//Б- I/Б)= (6.2- 4)/ (0.25-0. 15)= 22 – коэффициент передачи по току в режиме КЗ на выходе;
h22Э= ΔIК/ΔUКЭ = 4(мА)/ 8.8(В)= 0.45 (мСм) – выходная проводимость в режиме ХХ по входу.
рис.1.3 Входная характеристика
рис1.4 Выходная характеристика
На основании полученных числовых значений параметров рассчитываем параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора и изображаем ее.
Рис.1.5 Т-образная схема замещения
дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода- rЭ=φt/( Iок + Iоб)=0.025/(0.005+0.0002)=4.8 (Ом)
дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ- r*к=1/ h22Э=1/0.00045=2222 (Ом) коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ- β = h21э=22
дифференциальное сопротивление области базы- rб= h11Э-(1+ h21Э) •rЭ=3000-(1+22) •4.8=2890 (Ом) коэффициент обратной связи по напряжению-
h12Э= rЭ•h22Э=4.8•0.00045=0.002
Задача № 4 Рассчитайте модуль h21э и фазу φh21э коэффициента передачи по току БТ всхеме с ОЭ на частоте f . В качестве исходных данных используйте значения предельной частоты коэффициента передачи по току в схеме с ОБ fh21б , статический коэффициент передачи по току в схеме с ОБ α и частоты f . Fh21б=14 МГц, α=0.983, f=50 КГц
Определим статический коэффициент передачи по току для включения с ОЭ:
Тогда предельная частота коэффициента передачи по току для включения с ОЭ (КГц)
модуль коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ
и фаза коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ
Задача № 5 Усилительный каскад выполнен на ПТ 2П302Б в схеме с ОИ (рис. 1.6). Рабочая точка ПТ задается напряжением источника питания Uип и заданными параметрами. 1. Нарисуйте принципиальную схему усилителя. 2. На семействе статических ВАХ транзистора постройте нагрузочную прямую и определите положение рабочей точки. 3. Для найденной рабочей точки определите сопротивление резистора в цепи истока Rи и малосигнальные параметры S, Ri и μ. 4. Графоаналитическим методом определите параметры режима усиления KU и Pвых при амплитуде входного сигнала Uзиm= 0.25 B.
RС=0.35 кОм UЗИ0= -1.7 (В)
1. Изображаемпринципиальнуюсхему усилителя.
Рис.1.6 принципиальная схема усилителя
2. На семействе статических ВАХ транзистора строим нагрузочную прямую и определяем положение рабочей точки О. ICO=8.4 (мA) UCИО=13 (В). Т.к. в условии не указано значение напряжения питания, то принимаем его значение Uип=16 (В)
Рис 1.7 Выходная характеристика транзистора
3. Для найденной рабочей точки определяем сопротивления резистора в цепи истока Rи и малосигнальные параметры S, Ri и μ.
Задача № 1 Нарисовать схему одиночного усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией и выполнить расчет элементов схемы, задающих рабочую точку. Исходные данные для расчета
Тип транзистора КТ3127А, UК0 =6 (В), IК0 =8 (мА)
Выполнить графоаналитический расчет усилительного каскада в режиме класса «А». При расчетах использовать выходные статические характеристики транзистора.
Рис 2.1 Схема усилительного каскада
В рассматриваемом каскаде БТ работает в режиме класса «А», и положение рабочей точки задается примерно на середине нагрузочной прямой. Поэтому напряжение источника питания определяется из условия UИП = 2∙UК0= 12 (В), а напряжение на резисторе RК определяется выражением URК =UИП -UК0= UК0=6 (В). Падение напряжения на резисторе RЭ рекомендуется выбирать из диапазона значений UЭ = (0.05..0.1)UИП.= (0.6...1.2)=1 (В)
Затем вычисляем сопротивления резисторов RЭ= UЭ/IЭ= URЭ/IК=1/8(мА)=125 (Ом) и RК =URК/IК =6/8(мА)=750 (Ом).
Для обеспечения хорошей стабилизации рабочей точки ток делителя в цепи базы должен быть больше тока базы IД =(5..10)IБ . Напряжение на базе БТ определяется как UБ = UБЭ + UЭ . Напряжение UБЭ для германиевых транзисторов лежит в диапазоне 0.2…0.4 В, для кремниевых 0.6…0.8 В.
С учетом связи между токами транзистора IБ = IК /β=80/50=1.6 (мА), IД =14 (мА). сопротивления резисторов делителя находим согласно выражениям: R2 = UБ /IД=0.7/14(мА)=50 (Ом) R1 =(UИП –UБ)/(IД + IБ)≈(UИП −UБ )/IД =(12-0.7)/14(мА)=807 (Ом) В результате графоаналитического расчета необходимо определить мак- симальную величину неискаженного сигнала: амплитуды тока и напряжения, мощности в нагрузке и КПД каскада. Графоаналитический расчет усилителя проводится в следующем порядке. По справочнику определяются его максимально допустимые параметры: постоянный ток коллектора IК max=20 (мА); постоянное напряжение коллектор–эмиттер UКЭmax= -20 (В); постоянная рассеиваемая мощность коллектора PК max=0.1 (Вт). На семействе выходных характеристик транзистора, как показано на рис. 1.2, строится область допустимых режимов, ограниченная IК max, UКЭmax, PК max. Выполняется построение нагрузочной прямой, которая описывается уравнением IК =(UИП −UКЭ)/RК. Прямая проводится через две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами IК =0 , UКЭ =UИП=12 (В) на оси напряжений и точку с координатами IК =UИП /RК =12/750=16(мА), UКЭ = 0 на оси токов. Максимальные значения амплитуды полуволн неискаженного сигнала соответствуют пересечению нагрузочной прямой со статическими характеристиками в точке «С» – режим насыщения и в точке «В» – режим отсечки. Рабочая точка «О» находится на середине нагрузочной прямой. тогда Uкm=0.5∙(10-3.8)=3.1 (В), Iкm=0.5∙(11-2.4)=4.3(мА) Максимальная мощность неискаженного сигнала определяется выраже- нием: Pкm=0.5•Uкm•Iкm=0.5∙3.1∙4.3=6.67 (мВт)
мощность, потребляемая от источника питания: P0 = UК0 ⋅IК0=6•8=48 (мВт)
коэффициент полезного действия: η =Pкm/P0=6.67/48=0.139
Задача № 2 Нарисовать схему электронного ключа на БТ с ОЭ и построить его пере- даточную характеристику Uвых= f (Uвх) . если сопротивление нагрузки RН = 5RК. Тип транзистора, напряжение питания, сопротивление резистора в цепи коллектора использовать в соответствии с исходными данными и решением задачи № 1. Сопротивление резистора в цепи базы принять равным входному сопротивлению БТ RБ = h11э рассчитанному для рабочей точки задачи № 1 RБ=(R1∙R2)/(R1+R2) =(50∙807)/(50+807)=47 (Ом)
Рис 2.3 схема электронного ключа на БТ Передаточная характеристика Uвых= f (Uвх)электронного ключа на БТ, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.1, выполняется в следующей последовательности. Находим параметры эквивалентной схемы ключа, показанной на рис. 2.2: UИПэкв=UИП•(RH/(RK+RH))=12•(5/6)=10 (B) RKэкв=(RH• RK)/ (RK+RH)=(5/6)•750=625 (Ом) На семействе выходных характеристик БТ IК=f( UКЭ) (приIБconst) проводим нагрузочную прямую (рис. 2.2), описываемую уравнением IK=(UИПэкв- UКЭ)/RKэкв через две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами (IК = 0 ,UКЭ = UИП экв=10 (В)) на оси напряжений и точку с координатами (IK=UИПэкв/RKэкв=16(мА) ,UКЭ = 0) на оси токов.Находим точки пересечения нагрузочной прямой с кривыми, которые определяют токи базы IБiи выходные напряжения ключа Uвых i = UКЭ i (i = 1,..,N), где N – количество таких точек. соответствующие входные напряжения вычисляются согласно выражению: Uвх i = UБЭ i - IБi ⋅RБ. RБ=47 (Ом)
Полученные пары значений Uвых i и Uвх i позволяют построить переда- точную характеристику ключа, представленную на рис. 2.3.
Рис. 2.4 Входная и выходная характеристики транзистора.
Рис. 2.5 передаточная характеристика ключа.
Задача № 3 Изобразить принципиальные схемы инвертирующего и неинвертирующе- го усилителя на основе ОУ и рассчитать для каждого усилителя коэффициент усиления KОС , входное Rвх.ОС и выходное Rвых.ОС сопротивления. Исходные данные R=10 кОм, RОС=20 кОм, К=40000, RВХ=600 кОм, RВЫХ=0.4 кОм
Изображаем схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей.
Рис 2.6 схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей
В случае идеального ОУ K → ∞ , тогда
В случае реального ОУ коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется выражением
В случае реального ОУ коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется выражением
Дифференциальное входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резистора на входе
Rвх.ОС=R=10 (кОм)
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется как входное сопротивление усилителя, охваченного последовательнойотрица- тельной ОС Rвх.ОС= Rвх•(1+β⋅K)=600•(1+0.333•40000)=8000600 (кОм)
Выходное сопротивление для обеих схем усилителей определяется как
