Методические указания по выполнению контрольной работы по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств». Учебно-методическое пособие
.pdfМинистерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» («СибГУТИ»)
М. С. Шушнов
Методические указания по выполнению контрольной работы по дисциплине
«Схемотехника телекоммуникационных устройств»
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2024
УДК 621.396(076.5)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент канд. техн. наук, доц. М.С. Павлова
Шушнов, М. С. Методические указания по выполнению контрольной работы по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств» : учебно-методическое пособие / М. С. Шушнов ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, кафедра цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи. – Новосибирск, 2024. – 36 с.
Приведены краткие теоретические сведения, задание и справочные материалы для выполнения контрольной работы при изучении курсов «Схемотехника телекоммуникационных устройств» и «Схемотехника». Методические указания предназначены для изучения способов построения, анализа и расчета усилительных каскадов устройств обработки сигналов. Может быть рекомендовано для самостоятельной работы студентов, обучающихся на очной, заочной форме, в том числе с использованием дистанционных образовательных технологий, по программам подготовки бакалавров и магистров.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очного обучения, обучающихся по направлениям 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 09.03.02 «Информационные системы и технологии».
©Шушнов М.С., 2024
©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2024
2
Оглавление |
|
1. Общие требования................................................................................................... |
4 |
1.1. Задание на выполнение...................................................................................... |
4 |
1.2. Оформление контрольной работы.................................................................... |
5 |
2. Методические указания по выполнению контрольной работы ......................... |
7 |
2.1. Расчет каскада на биполярном транзисторе .................................................... |
7 |
2.2. Расчет каскада на полевом транзисторе с p-n-переходом............................ |
12 |
2.3. Расчет каскада на МОП-транзисторе с индуцированным каналом ............ |
18 |
3 Выбор резисторов по номинальной мощности ................................................... |
24 |
Вопросы для самопроверки...................................................................................... |
25 |
Приложение 1. Варианты задания ........................................................................... |
26 |
Приложение 2. Справочные данные стандартных значений пассивных |
|
компонентов............................................................................................................... |
29 |
Литература ................................................................................................................. |
35 |
3
1.Общие требования
Сцелью приобретения навыков расчета усилительных каскадов в контрольную работу включены расчеты применяемых однотактных резисторных каскадов предварительного усиления гармонических сигналов на биполярных и полевых транзисторах различных типов. Для лучшего понимания методики расчета полезно ознакомиться с рекомендуемой литературой [1-6].
1.1.Задание на выполнение
Номера варианта, который должен выбрать студент, определяются двумя последними цифрами номера студенческого билета.
В результате выполнения контрольной работы студент должен начертить принципиальную схему однотактного резисторного каскада предварительного усиления на биполярном или полевом транзисторе (определяется заданием), включенном по схеме с общим эмиттером/общим истоком и эмиттерной/истоковой стабилизацией тока покоя. Рассчитать параметры элементов схемы, режим работы каскада по постоянному току, коэффициент усиления каскада в области средних частот, входные и выходные параметры каскада. Подобрать для схемотехнической реализации рассчитанной электричкой схемы подходящую элементную базу и составить спецификацию элементов электрической схемы.
Исходные данные для расчета приведены в приложении 1. Из таблиц П1П3 следует выписать исходные данные для выполнения контрольной работы.
Справочные характеристики транзисторов можно найти в сети Интернет на сайтах фирм-производителей или поставщиков электронных компонентов, резисторов и конденсаторов в приложении 2 или в сети Интернет.
Формулы, напротив которых в методике расчета написано (ГОСТ), предполагают, что рассчитанный номинал элемента должен быть выбран по типу, а его номинал по соответствующему ГОСТу в соответствии с выпускаемым промышленностью элементом.
При округлении значений элементов следует: для резисторов выбирать ближайшее значение по ГОСТ, округляя значение до ближайшего из ряда номиналов E (Е3, E6, Е12, E24 в зависимости от того, по какому ряду номиналов промышленно изготавливается выбранный компонент); для конденсаторов округление номинала до ближайшего большего из ряда E. Выбор ряда E осуществляется исходя из требуемой точности реализации схемы. Для большинства случаев достаточно точности номиналов постоянных резисторов ±5 или 10%.
Если указанный в задании транзистор выпускается в исполнении корпуса для поверхностного монтажа (SMD – Surface Mount Device (устройство для монтажа на поверхность)) при технологии поверхностной пайки (SMT – Surface Mount Technology (технология монтажа на поверхность)), имеет короткие ленточные формованные выводы или контактные площадки, то резисторы и конденсаторы по возможности должны быть выбраны подходящие для
4
аналогичного способа монтажа. Допускается при SMT использовать единичные элементы с проволочными выводами при отсутствии необходимого номинала в исполнении SMD. Если указанный в задании транзистор выпускается в исполнение корпуса для выводного монтажа (THT – Trough-Hole Technology (технология монтажа в отверстия)), имеет длинные проволочные выводы, то резисторы и конденсаторы по возможности должны быть выбраны подходящие для аналогичного способа монтажа, то есть иметь проволочные выводы.
1.2. Оформление контрольной работы
Пояснительная записка к контрольной работе оформляется в отдельной ученической тетради или на листах формата A4 и сдается на проверку лектору.
Все страницы нумеруются. На титульном листе номер не указывается. Пояснительная записка должна иметь опрятный вид без заметных помарок и подчисток. Язык пояснительной записки должен быть кратким, ясным и четким, со строгим соблюдением правил правописания, без мало употребляемых иностранных и жаргонных слов и сокращений, кроме общепринятых.
В формулах в качестве символов следует применять только обозначения, предусмотренные стандартами. Перед первым применением формулы дается ее пояснение с расшифровкой входящих в нее величин. Повторное ее использование допускается без пояснения. Не следует забывать о знаках препинания при написании формул.
Текстовые рисунки (схемы, графики и т. д.) рекомендуется выполнять в одном из графических редакторов на персональном компьютере (ПК). В случае недостаточных навыков пользования ПК допускается их выполнение на той же писчей бумаге или отдельных листах чертежной бумаги (ватмана) формата А4 чернилами или простым карандашом. Все рисунки должны иметь сквозную нумерацию в пределах всей пояснительной записки, например: рис. 1, рис. 2 и т. д. Надписи к рисункам помещаются под ними, а надписи к таблицам – над ними.
Перед расчетами указывается литература, из которой взята методика этих расчетов. Ссылка на литературу (порядковый номер по списку) дается в квадратных скобках, например: [1, 12]. Если существует необходимость заимствования рисунка, то рядом с подрисуночной подписью указывается ссылка на литературу.
На титульном листе должны обязательно присутствовать дата ее представления преподавателю на проверку и подпись автора. В случае электронного формата отправки работы на проверку через электронную образовательную среду личная подпись может отсутствовать, так как отправка осуществляется исключительно через учетную запись студента. Отправка иными средствами электронных коммуникаций не допускается.
Результаты отдельных этапов расчетов взаимно дополняют друг друга, но могут приводить и к противоречиям, которые необходимо своевременно заметить и с привлечением дополнительной информации обоснованно
5
устранить. Отсылка на то, что выбранные параметры схемы не дали желаемый результат, не является обоснованием невыполнения задания.
В конце пояснительной записки приводится электрическая принципиальная схема рассчитанного каскада со спецификацией элементов. При оформлении отступление от норм ГОСТ ЕСКД не допускается. Пример заполнения спецификации приведен в табл. 1.
Список литературы (библиографическая ссылка) содержит названия книг, справочных материалов и других опубликованных печатных и электронных материалов, использованных при выполнении задания. Список использованных источников и ссылки на них выполняются по ГОСТ 7.1-2003, ГОСТ 7.0.5-2008, ГОСТ 7.82-2001. Отступление в оформлении от требований ГОСТ не допускается.
Таблица 1 – Спецификация элементов принципиальной схемы усилительного каскада
Поз. |
Наименование |
Кол. |
Примечание |
обозна- |
|
|
|
чение |
|
|
|
|
Транзистор |
|
|
VT1 |
2SK246GR |
1 |
|
|
|
|
|
|
Резисторы |
|
|
R1 |
С2-33н-0,125-240 кОм ± 5% |
1 |
|
R2 |
С2-33н-0,25-470 Ом ± 5% |
1 |
|
R3,R4 |
С2-33н-0,125-10 кОм ± 5% |
2 |
|
|
|
|
|
|
Конденсаторы |
|
|
С1,С3 |
К73-17-160В-0,047 мкФ ± 20 % |
2 |
|
С2 |
К50-35-16В-4700 мкФ +20/-80 % |
1 |
|
При сдаче работы на проверку в электронной форме через электронную информационно-образовательную среду университета файл следует высылать в формате PDF во избежание недоразумений из-за искажения содержимого файла, потери формул или рисунков при конвертации форматов DOC/DOCX/ODT и т.п. Для конвертации удобно пользоваться бесплатными On-line конвертерами с поддержкой русского языка, например, https://www.ilovepdf.com/ru/word_to_pdf или https://ru.onlineconvert.com/odt-to- PDF-converter.
6
2. Методические указания по выполнению контрольной работы
Расчет каскада предварительного усиления (КПУ) начинают с вычерчивания принципиальной электрической схемы рассчитываемого каскада (рис. 1 – рис. 4).
Чаще всего КПУ строятся по схеме с общим эмиттером (ОЭ) для биполярных транзисторов, с общим истоком (ОИ) для случая применения полевых транзисторов. Методика расчета КПУ на биполярных и полевых транзисторах имеет много общего. Основные отличия расчетов связаны с различием в схемах питания базы или затвора соответственно, а для полевых транзисторов еще и типом канала (встроенный или индуцированный).
Рисунок 1 – Схема КПУ на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией
2.1. Расчет каскада на биполярном транзисторе
Расчет ведется аналитическим методом в следующем порядке.
1.Приводится принципиальная электрическая схема усилительного каскада по схеме о ОЭ и вводятся обозначения элементов на схеме.
2.Определяем напряжение покоя Uк 0 , которое должно быть в несколько
раз больше амплитуды сигнала на выходе усилителя:
Uк 0 = 2...3Umн .
Часто характеристики транзисторов в справочнике приводятся для напряжения U к 0 = 5В, поэтому иногда в расчетах при прочих допустимых условиях можно
принять напряжение на коллекторе равным 5 В, т.е. если амплитуда сигнала не превышает 2 В.
7
где
3. Рассчитывается общая нагружающая каскад емкость
C0.вых = Cвых.тр + Cмонт + Cн ,
Cвых.тр |
- выходная емкость транзистора; |
Cмонт |
- емкость монтажа; |
C |
н |
|
-
емкость нагрузки каскада.
Выходную емкость транзистора Cвых.тр можно определить из справочных
данных, взяв ее примерно равной емкости коллектора при указанном напряжении на коллекторе. Однако ее величина существенно зависит от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. Для пересчета емкости коллектора можно воспользоваться следующей формулой:
где |
Ск .спр |
- справочное |
напряжении на коллекторе
|
С = |
U |
к .спр |
С |
|
, |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
к |
U |
|
к .спр |
|
||
|
|
к 0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
значение |
емкости |
коллекторного перехода при |
|||||
Uк .спр |
; Uк 0 |
- напряжение на коллекторе, при котором |
|||||
ведется расчет. Емкость монтажа
C |
монт |
|
обычно составляет 1-2 пФ для компонентов для
поверхностного монтажа (SMD) и 2-10 пФ для выводных компонентов (THT). 4. Находим эквивалентное сопротивление выходной цепи каскада в
области верхних частот на |
частоте |
fв |
с учетом заданного коэффициента |
частотных искажений M в .вых : |
|
|
|
R |
|
э.в |
|
M |
2 |
|
−1 |
|
|
|
|
||
|
в.вых |
|
||
2πf |
С |
|
||
|
в |
|
0.вых |
|
,
где
M |
в .вых |
|
- допустимые частотные искажения в выходной цепи КПУ на
верхней частоте. Обычно искажения распределяю между входной цепью и
выходной равномерно, тогда M в .вых = |
M в . |
|
|
|
||
5. Определяют сопротивление коллекторной нагрузки транзистора |
|
|||||
|
|
R |
R |
|
|
|
Rк |
= |
н |
э.в |
. |
(ГОСТ) |
|
R |
− R |
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
н |
э.в |
|
|
|
6. Определяем режим работы транзистора по постоянному току |
Iк 0 и |
|||||
амплитуду тока в нагрузке Iкm . |
Амплитуда тока в нагрузке определяется по |
|||||
формуле:
Iкm =Umн 
Rэ.в .
Ток покоя коллектора (постоянную составляющую) определяют по формуле:
Iк 0 Iкm 
kз ,
где kз - коэффициент запаса тока. Обычно берется равным 0,4-0,7. Меньшие значения kз увеличивают мощность, рассеиваемую на транзисторе, и приводят
к повышению напряжения питания каскада. Поскольку от тока коллектора зависит коэффициент усиления по току транзистора, то следует брать значение Iк 0 не менее 0,25-1 мА в зависимости от типа транзистора.
8
7. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора:
Pк 0 = Iк 0U к 0 .
Полученное
рассеиваемой
значение должно быть меньше
мощности на коллекторе |
Pк 0 |
допустимой максимальнойPк .макс , определяемой по
справочным данным для указанной температуры перехода. Часто приводится значение при температуре не выше 25ºС, но с повышением температуры перехода допустимая рассеиваемая мощность резко снижается.
8. Определяют напряжение питания каскада.
Для выбора значения напряжения питания удобно пользоваться
следующим выражением: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
k |
э |
(I |
к 0 |
R |
+U |
к 0 |
), |
|
п |
|
|
к |
|
|
|||
где kэ |
- коэффициент, определяющий |
величину падения напряжения на |
|||||||
сопротивлении обратной связи
Rэ
.
Величина коэффициента запаса по
напряжении питания обычно находится в интервале от 1,1 до 1,3. Большие
значения |
kэ |
увеличивают стабильность режима транзистора, но также |
увеличивают напряжения питания каскада и мощность, рассеиваемую резистором Rэ . Полученное по формуле значение напряжения округляют до
ближайшего большего, используя вспомогательный ряд стандартных напряжений постоянного тока (см. таблицу П3).
Следует учесть, что напряжение питания каскада не должно превышать максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер, указанное в справочных данных. Если в расчете получилось большее напряжение, то следует расчет скорректировать с п.2, взяв меньшее Uк 0 . Если же это
невозможно, то следует выбрать иной тип транзистора с большим значением пробивного напряжения.
9. Определяют сопротивление коллекторной цепи постоянному току:
R |
= R + R |
Eп − Uк 0 |
. |
||
|
|||||
н= |
|
к |
э |
Iк 0 |
|
|
|
|
|
||
Сопротивление в цепи коллектора |
Rн= |
(коллекторная |
|||
току) состоит из сопротивления в коллекторной цепи
нагрузка постоянному
Rк |
и сопротивления в |
цепи эмиттера Rэ . Резистор Rэ помимо температурной стабилизации
обеспечивает отрицательную обратную связи (ООС). Введение ООС подобного типа увеличивает входное сопротивление каскада, что благоприятно сказывается на работе источника, но снижает коэффициент усиления каскада.
10. Определяют сопротивление резистора Rэ в цепи эмиттера по формуле:
Rэ = Rн= − Rк .
11. Рассчитывают коэффициент усиления каскада по напряжению без ООС
K = h21э.ср Rэ.в , Rвх.тр
где Rвх.тр Uб 0 
Iб 0 - входное сопротивление транзистора.
12. Определяют величины тока базы Iб 0 и базового делителя Iд .
9
где
Постоянный ток базы определяется по формуле:
Iб 0 = Iк 0 
h21э.ср ,
h21э.ср |
- среднее значение коэффициента передачи по току транзистора, |
определяемое как
h21э.ср
= |
h |
h |
|
21э.мин |
21э.макс |
. Величины коэффициентов передачи
тока
h21э.мин
и |
h21э.макс |
приведены в справочных данных на указанный тип
транзистора при определенной температуре перехода. Обычно в справочных данных приводятся в графическом виде усредненные зависимости h21э.ср от тока
коллектора, поэтому ими пользоваться бывает удобнее. В этом случае по графику нужно определить h21э.ср для максимально близкого значения тока
коллектора
I |
к 0 |
|
при определенной температуре перехода. Если температура
перехода не указана, то ее принимают равной средней комнатной температуре
25ºС.
Ток делителя смещения обычно берется в 5-10 раз больше постоянного тока базы:
I |
д |
= |
|
|
13. По известному току делителя
5...
I |
д |
|
10Iб 0 .
и напряжению база-эмиттер
U |
бэ0 |
|
в
точке покоя находят сопротивления резисторов делителя, обеспечивающих это напряжение:
|
U |
бэ0 |
+ (I |
к 0 |
+ I |
б 0 |
)R |
|
||||
R = |
|
|
|
|
|
|
э |
, (ГОСТ) |
||||
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
д |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
||
|
Rб |
= |
|
|
|
п |
|
|
. |
(ГОСТ) |
||
|
|
|
+ I |
|
||||||||
|
|
|
I |
б 0 |
д |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Если напряжение база-эмиттер |
|
|
U |
бэ0 |
в точке покоя неизвестно (в |
|||||||
справочнике не дана входная характеристика транзистора), то это напряжение можно принять примерно равным 0,5В для маломощных (до 0,5Вт) кремниевых биполярных транзисторов.
14. Находим сопротивление резистора |
Rос |
, обеспечивающего ООС в |
каскаде.
Коэффициент усиления каскада с ООС определяется выражением
K |
|
= |
K |
ос |
|
||
|
1 |
+ βK |
|
|
|
где
,
β = |
Uос |
= |
Imэ Rос |
|
Imк (Rэ.вх + Rд ) |
||
|
Umвых |
||
- коэффициент передачи цепи обратной связи;
Rд = RRб+RR
б
- сопротивление делителя. По формуле находим:
10