Комплексное задание по дисциплине «Электроника »
1. Выбор варианта задания
Исходные данные для решения задач приведены в табл.1. и выбираются согласно номера по списку в журнале группы. Некоторые необходимые данные и графики также следует брать из справочника по транзисторам.
Содержание задач комплексного задания
Задача №1. Согласно номера варианта и статических характеристик биполярного транзистора выполнить графоаналитические расчеты для усилительного каскада по схеме с общим эмиттером (ОЭ):
а) записать исходные данные:
марка транзистора ________ тип транзистора ___________
напряжение источника питания коллекторной цепи Е К =____В;
активное сопротивление нагрузки R Н = ______ Ом;
постоянная составляющая тока базы I Б0 =______ мА;
амплитудное значение переменной
составляющей тока (амплитуда усиливаемого сигнала) I Бm = _____ мА.
б) нарисовать электрическую принципиальную схему усилителя с учетом обеспечения режима постоянного тока с помощью одного резистора R Б от источника Е К (схема смещения фиксированным током базы);
в) нарисовать входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с ОЭ;
г) записать уравнение Кирхгофа для выходной цепи и построить линию нагрузки;
д) найти на линии нагрузки рабочий участок, т.е. точки, которые соответствуют токам базы I Бmin = I Б0 - I mБ и I Бmax = I Б0 + I mБ, определить и обозначить рабочую точку усилителя – точку пересечения линии нагрузки и характеристики, которая соответствует I Б0;
е) определить графически I Кmin, I Кmax, U КЭmin, U КЭmax – по выходным характеристикам и U БЭmin, U БЭmax – по входным;
ж) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала;
з) рассчитать для линейного (малоискажающего) режима входное сопротивление R ВХ, а также коэффициенты усиления по току К I, по напряжению К U и по мощности К Р. Найти полезную мощность в нагрузке Р Н и мощность Р К, рассеиваемую в коллекторе.
Задача №2. По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора определить параметры каскада в режиме переключения мощности (в ключевом режиме работы):
а) записать исходные данные:
марка транзистора ________ тип транзистора ___________
напряжение источника питания коллекторной цепи Е К =____В;
активное сопротивление нагрузки R Н = ______ Ом;
б) нарисовать электрическую принципиальную схему усилителя в ключевом режиме с учетом обеспечения надежного закрытия транзистора при нулевом входном сигнале с помощью источника Е Б и резистора R Б;
в) нарисовать входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с ОЭ;
г) построить линию нагрузки;
д) рассчитать ток базы включения I Бвкл;
е) определить графически остаточное напряжение открытого ключа U ОСТ – напряжение коллектор – эмиттер в режиме насыщения, выходной ток I Квкл;
ж) рассчитать мощность Р ВХ, необходимую для открывания ключа, мощность Р К ВКЛ, рассеиваемую на коллекторе транзистора в состоянии ''включено '' и сопротивление транзистора R ВКЛ в состоянии ''включено '';
з) построить временные диаграммы токов и напряжений.
Задача №3. По заданной марке и статическим характеристикам полевого транзистора выполнить графоаналитические расчеты для усилительного каскада с общим истоком (ОИ):
а) записать исходные данные:
марка транзистора _______ тип транзистора ________канал типа ___
напряжение источника питания стоковой цепи Е С =____В;
параметры рабочей точки:
значение тока стока при отсутствии входного сигнала I С0=___мА;
значение напряжения сток-исток при отсутствии входного сигнала U СИ0 =____В.
б) нарисовать электрическую принципиальную схему усилителя с ОИ;
в) нарисовать входную (стоко-затворную) и выходную (стоковую) характеристики полевого транзистора с ОИ;
г) показать рабочую точку (по заданным I С0, U СИ0);
д) рассчитать малосигнальные электрические параметры и построить эквивалентную схему полевого транзистора на низкой частоте;
е) построить линию нагрузки;
ж) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала;
з) для линейного (малоискажающего) режима усиления определить входное сопротивление R ВХ и выходное R ВЫХ, а также коэффициенты усиления по току К I, по напряжению К U и по мощности К Р.
Методические указания по выполнению комплексного задания
3.1. Указания для решения задачи 1.
При проектировании схемы усилителя с ОЭ по типу БТ – необходимо определиться с полярностью источника питания Е К. Перерисовав статические характеристики БТ, следует обратить внимание, что входная характеристика приведена всего одна. Это является следствием малого влияния выходного напряжения на входную цепь прибора, в резольтате чего входные характеристики, снятые для различных значений U КЭ, располагаются очень близко друг к другу. Указанное обстоятельство в большинстве случаев расчетов позволяет использовать одну кривую.
Уравнение Кирхгофа для выходной цепи: Е К = U КЭ + I К· R Н.
Линия нагрузки соответствует график уравнения: 
.
На семействе выходных характеристик ордината этой прямой при U КЭ=0 соответствует точка I К = Е К / R Н. Абсцисса при I К = 0 соответствует точке U КЭ = Е К. Соединение этих координат и является построением нагрузочной линии. Пересечение нагрузочной линии с заданным значением тока базы I Б0 определяет рабочую точку транзисторного каскада, нагруженного на R Н. Координаты рабочей точки дают значение рабочего режима выходной цепи I К0, U КЭ0, а координаты I Б0 и U БЭ0 на входной характеристике – режим входной цепи транзистора.
Построив затем заданное синусоидальное изменение тока базы с амплитудой I Бm, определяют графически диаграммы токов и напряжений в электродах транзистора.
После построения временных диаграмм необходимо оценить, имеются ли заметные искажения в выходной цепи транзистора или нет?
Из временных диаграмм видно, что под действием переменного входного тока рабочая точка на выходных характеристиках двигается вдоль линии нагрузки. Если рабочая точка какую-либо часть периода входного тока попадает в область насыщения или отсечки, то всегда имеет место сильное искажение формы выходного сигнала, называемое иногда '' ограничением ''. В этом случае необходимо уменьшить заданную величину амплитуды входного сигнала до величины, при которой рабочая точка не будет выходить за пределы активной области работы транзистора.
Дальнейшие расчеты производятся только для активного режима работы прибора, называемого линейным или неискажающим.
При нахождении из графиков величин I mК, и напряжений UmКЭ, U mБЭ, следует брать для дальнейших расчетов средние значения амплитуд за период: 
U mБЭ = (U БЭmax – U БЭmin) /2;
Значения соответствующих рабочих параметров каскада в рабочей точке можно найти из построенных временных диаграмм как отношение амплитуд токов и напряжений:
К U = U mКЭ / U mБЭ; 
R ВХ = U mБЭ / I mБЭ;
3.2. Указания для решения задачи 2.
Перерисовать статические характеристики заданного БТ. Построение линии нагрузки выполняют так же, как и в задаче 1. Однако рабочая точка на выходных характеристиках будет находиться либо в режиме отсечки (транзистор выключен), либо в режиме насыщения (транзистор включен). Остаточное напряжение U ОСТ находят непосредственно по выходным характеристикам как абсциссу, соответствующую режиму насыщения для заданной нагрузки.
Для получения малого времени транзистора рекомендуется подавать входной ток, в несколько раз больший, чем требуется для начала режима насыщения, или 
где К НАС – коэффициент насыщения, значения которого берутся от 3÷5.
Мощность Р ВХ, потребляемая входной цепью ключа, находящегося в состоянии ''включено '': 
где значения 
находят по входной характеристике транзистора, снятой при 
(т.е. для режима насыщения).
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в состоянии ''включено '': 
Сопротивление транзистора в состоянии ''включено '': 
3.3. Указания для решения задачи 3.
По заданной рабочей точке транзистора (I С0, U СИ0) и по заданной нагрузке R Н (или по напряжению источника питания Е С ) можно построить линию нагрузки. Эта процедура аналогична уже описанной в задаче 1, только дополнительно требуется определить неизвестную величину из уравнения:
На семействе выходных характеристик отмечаем рабочую точку. Область допустимых значений режима ограничена слева точками, отделяющими пассивный режим работы ПТ, называемый иногда омическим режимом. С другой стороны (справа) разрешенные режимы ограничиваются допустимой мощностью рассеивания. Характеристика рассеиваемой мощности на выходном семействе представляет собой гиперболу, описываемую уравнением: 
При построении временных диаграмм на выходных характеристиках возможно появление сильных искажений сигнала из-за захода рабочей точки в режим отсечки (закрытый транзистор) или омический режим.
В этой ситуации следует уменьшить амплитуду входного сигнала U mЗИ от заданного значения до величины, при которой рабочая точка не будет выходить за пределы активной области работы прибора. Именно для этой новой амплитуды сигнала определяются параметры линейного (малоискажающего) режима усиления ПТ. При построении временных диаграмм следует обратить внимание на незначительное искажение формы выходного тока при синусоидальном входном напряжении, даже если рабочая точка не выходит за пределы активной области.
Для определения коэффициента усиления следует усреднить изменения тока стока, считая, что 
где 
– положительная амплитуда тока стока; 
– отрицательная амплитуда тока стока.
Средняя крутизна прибора при этом равна: 
.
Коэффициент усиления по напряжению каскада: 
.
Коэффициент усиления по току 
т.к. величина входного тока I mЗ определяется сопротивлением в цепи затвора R З, через которое подается постоянное напряжение на затвор U mЗИ.
Коэффициент усиления по мощности: 
Варианты заданий
Таблица 1
| № варианта | Биполярный транзистор КТ819 | Полевой транзистор КП302А | |||||||
| Задача 1 | Задача 2 | Задача 3 | |||||||
| Е К,В | R Н,Ом | I Б0,мА | I mБ,мА | Е К,В | R Н,Ом | I С0,мА | U СИ0,В | Е С,В | |
| 1,2 | 1,7 | 6,5 | 7,5 | ||||||
| 1,2 | 1,6 | 6,5 | 7,5 | ||||||
| 1,2 | 1,5 | 6,5 | 7,5 | ||||||
| 1,2 | 1,4 | 6,5 | 7,5 | ||||||
| 1,2 | 1,3 | 6,5 | 7,5 | ||||||
| 1,2 | 1,7 | 7,5 | |||||||
| 1,2 | 1,6 | 7,5 | |||||||
| 1,2 | 1,5 | 7,5 | |||||||
| 1,2 | 1,4 | 7,5 | |||||||
| 1,2 | 1,3 | 7,5 | |||||||
| 1,6 | 1,7 | 3,2 | |||||||
| 1,6 | 1,6 | 3,2 | |||||||
| 1,6 | 1,5 | 3,2 | |||||||
| 1,6 | 1,4 | 3,2 | |||||||
| 1,6 | 1,3 | 3,2 | |||||||
| 1,4 | 1,7 | ||||||||
| 1,4 | 1,6 | ||||||||
| 1,4 | 1,5 | ||||||||
| 1,4 | 1,4 | ||||||||
| 1,4 | 1,3 | ||||||||
| 1,2 | 1,7 | 6,5 | |||||||
| 1,2 | 1,6 | 6,5 | |||||||
| 1,2 | 1,5 | 6,5 | |||||||
| 1,2 | 1,4 | 6,5 | |||||||
| 1,2 | 1,3 | 6,5 | |||||||
| 2,2 | 1,7 | 3,2 | |||||||
| 2,2 | 1,8 | 3,2 | |||||||
| 2,2 | 1,9 | 3,2 | |||||||
| 2,2 | 2,0 | 3,2 | |||||||
| 2,2 | 2,1 | 3,2 | |||||||
| 1,4 | 1,3 | ||||||||
| 1,4 | 1,4 | ||||||||
| 1,4 | 1,5 | ||||||||
| 1,4 | 1,6 | ||||||||
| 1,4 | 1,7 | ||||||||
| 1,8 | 2,2 | 6,5 | |||||||
| 1,8 | 2,0 | 6,5 | |||||||
| 1,8 | 1,9 | 6,5 | |||||||
| 1,8 | 1,8 | 6,5 | |||||||
| 1,8 | 1,7 | 6,5 |