V Приборы полупроводниковые

Х Соединения контактные (разъемы)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Требования к точности расчетов Подавляющее большинство формул, полеченных в результате анализа упрощенной математической модели схемы ЭУ, оказываются приближенными. Точность их различна и зависит от характера и количества упрощений.

Если совпадение расчетных значений параметров с экспериментальными данными достигается с точностью до 1 - 5%, расчетные соотношения воспринимаются как очень точная математическая модель ЭУ. В большинстве же случаев расхождения до 20% теоретических результатов с экспериментальными считается вполне удовлетворительным. Это связано с тем, что разбросы параметров элементов ЭУ составляют 5 - 20 %, а в некоторых случаях 100% и более.

Это необходимо учитывать при определении числа значащих цифр в вычислениях. В большинстве же случаев в вычислениях ограничиваются 2 - 3 значащими цифрами, что соответствует погрешности не хуже 1%.

Цели и задачи расчета

Целью расчета в курсовом проекте является получение числовых значений параметров (емкости, сопротивления, токов и напряжений, выделяемой мощности) элементов схемы ЭУ, обеспечивающих оптимальный режим работы ЭУ. Если в проекте производится поверочный расчет, то целью расчета является проверка соответствия указанных номиналов значений оптимальным. Цель расчета считается достигнутой, если определены номинальные значения параметров всех пассивных элементов, значения параметров компонентов схем замещения активных элементов, определены типы электрорадиоэлементов (ЭРЕ). Следует помнить, что расчеты при проектировании носят явно выраженный оптимизационный характер. Это связано с тем, что число выходных параметров ЭУ всегда немного меньше числа элементов схемы, которые могут иметь различные значения номиналов. То есть математическая модель устройства содержит число неизвестных много больше числа уравнений. Поэтому одни и те же выходные параметры можно обеспечить при самых разнообразных сочетаниях параметров ЭРЭ. Задача проектанта сводится к отысканию наилучшего сочетания. Обычно задача отыскания оптимального сочетания - это длительный многошаговый итерационный процесс. На практике с целью упрощения расчетов поступают следующим образом; - производят предварительный ориентировочный расчет выходных параметров отдельных функциональных элементов: - рассчитывают и выбирают типы активных ЭРЭ (транзисторы, диоды, ИМС и др.):

- рассчитывают рабочие режимы (токи, напряжения, мощность, температурная нестабильность и др.) активных элементов: - рассчитывают значения параметров R, С, L пассивных элементов, обеспечивающих выбранные режимы активных ЭРЭ, а также токи, напряжения и рассеиваемую мощность для них: - определяют номинальные значения пассивных ЭРЭ и выбирают их типы: - рассчитывают входные параметры ЭУ с целью проверки их соответствия ТЗ. Последний этап расчетов носит поверочный характер и чаще выполняется на ЭВМ или физической модели (макете) устройства. Все предыдущие этапы расчетов имеют большое число вариантов решений, в связи с чем их формализация и расчет на ЭВМ крайне затруднителен.

Расчет электронных схем

В результате синтеза электронной схемы устройства, как правило, получается такая схема, которую легко разбить на структурно обособленные узлы или элементы (триггеры, генераторы, усилители, ключи и т.д.). Поэтому принято и расчет производить не всей схемы сразу, а по частям, если это возможно, начиная с выходных каскадов. Расчет от выхода устройства к входу оправдан тем, что для оконечных каскадов известны входные характеристики, на основании которых производится полный расчет ЭРЭ и определяются требования ко входному сигналу, который в свою очередь является выходным для предоконечных каскадов и т.д. В соответствии с последовательностью расчетов расчетная часть может быть разбита на подразделы соответствующими заголовками, например, "Расчет выходного эмиттерного повторителя", "Расчет ждущего мультивибратора". Сам подраздел содержит все исходные данные для расчета, цель расчета или постановку задачи, отдельно выделенную методику расчета, собственно расчет, таблицу с полученными номиналами или выводы. Исходными данными являются; электрические параметры выходного сигнала: требования к точности, погрешности: напряжение питания, потребляемая мощность: требования к исполнению, например, обусловленные условиями эксплуатации и другие числовые или качественные характеристики, требуемые для выполнения расчетов. Методика расчетов, как правило, берется из литературы. При этом, если вся методика берется из одного источника, это оговаривается только однажды (ссылкой). Если же методика составлена из нескольких источников, то каждая формула, позаимствованная из литературы, должна иметь ссылку. Тем самым проектант как бы частично снимает с себя ответственность за достоверность конечных результатов. В противном случае проектант должен обосновывать применение приводимых формул. Промежуточные формулы, не используемые непосредственно для вычислений в пояснительной записке, не приводят или выносят в приложения. Все приводимые в методике формулы нумеруют. Для облегчения чтения записки приводят фрагменты принципиальной схемы без первоначальной нумерации, например, R вместо к R , R вместо R , С вместо С и т.д. 1 э 2 разделительное 1 Собственно расчет, как правило, отделяют от методики расчета. Делается это, с одной стороны, для облегчения понимания методики, с другой - для простоты оформления пояснительной записки в случае, если это же устройство рассчитывается, например, для другого напряжения питания или элементной базы. В этом случае переписывается только собственно расчет. Расчет приводят полностью с указанием номеров формул из методики. Например, минимальное сопротивление R рассчитаем по формуле к (2.3). Кроме того, приводят необходимые диаграммы, вольтамперные характеристики активных элементов. Результаты расчета должны быть достаточными для выбора элементной базы, поэтому для резистора нужно рассчитывать не только номинальное сопротивление, но и среднее значение рассеиваемой мощности, для конденсатора - емкость и максимально возможное напряжение. Заканчивается расчетная часть выбором элементов. На основании расчета чувствительности схемы к разбросу параметров определяют допустимые отклонения от номинальных значений в процентах. Затем из соответствующего ряда (Приложение 1) номиналов выбирают ближайшее к расчетному значение. Выбранные номиналы для всех активных и пассивных элементов приводят в таблице произвольной формы, где указывают место элемента в схеме (R , R , С и т.п.), его нумерацию в принципиальной схеме (R1, э б1 э2

R2, С1 и т.п.), расчетное значение и выбранное из ряда номинальных значений с указанием типа элемента (МЛТ-0,125-1,1к: К50-6-50,0 6,3В). Здесь же приводят обоснование выбора типа элемента. Если производится поверочный расчет, то расчетные значения R, C, L могут сильно отличаться от приведенных в исходной схеме. Тогда расчет повторяют по другой методике (если она существует) либо проверяют, а будет ли с указанными в схеме номиналами устройство работать вообще? В любом случае в таблице приводят исходные и расчетные значения номиналов с соответствующими выводами об оптимальности режимов работы узла или устройства. Например "...При значении R = 1,1 кОм каскад сохраняет работоспособность, однако при этом выходное сопротивление ключа будет в 1,7 раза выше, чем при оптимальном в соответствии с приведенными расчетами значении R = 610 Ом ...". В выводах также подтверждается или отрицается то, что при указанных значениях номиналов ЭРЭ выполняются требования по точности, вносимым искажениям, надежности и другим параметрам. Для этого также производятся соответствующие поверочные расчеты. По выбору элементной базы следует отметить следующее. При реальном проектировании на производстве разработчик в выборе элементной базы существенно ограничен стандартами предприятия (СТП) или отраслевыми стандартами - ОСТ, которые обобщают опыт проектирования и эксплуатации, стоимость, надежность и другие важные особенности ЭРЭ. Студенту же приходится самому себе такие ограничения и производить отбор типов ЭРЭ по различным техническим, экономическим параметрам и условиям эксплуатации. Чтобы облегчить такой выбор приведем некоторые рекомендации. При выборе транзисторов нужно помнить, что хотя это и универсальные приборы, их нужно применять преимущественно по назначению, оговоренному в справочниках. Например, применение в усилителе низкой частоты высокочастотного транзистора такой же емкости может привести к возникновению самовозбуждения усилителя, развитию вторичного пробоя, снижению надежности схемы. Не допускается превышение максимально допустимых значений напряжений, токов, мощности, температуры, частоты. В тоже время не гарантируется качество работы мощных транзисторов в режиме микротоков. Для надежной работы транзисторов напряжение коллектор-эмиттер и рассеиваемая мощность ни при каких условиях не должны превышать 60 70 % от максимально допустимых значений. Если нет особых причин для применения германиевых транзисторов, то лучше применить кремниевый, который может работать при больших температурах и напряжениях и имеет меньшее значение обратного тока. Эти же рекомендации относятся и к выбору диодов, тиристоров и других полупроводниковых приборов. При разработке ЭУ у проектанта часто возникает соблазн использовать подстроечные или регулировочные резисторы для облегчения расчетов и оптимизации режимов работы ЭУ. Однако на практике это приводит к удорожанию конструкции и усложнению настройки и эксплуатации изделия. Поэтому одним из требований к конструкции ЭУ является использование минимального количества переменных резисторов. В разрабатываемом ЭУ в качестве различных нагрузок, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильтров в цепях формирования импульсов и т.п. следует применять резисторы постоянные общего назначения, например, МЛТ, основные данные которых приведены в приложении В. И только при необходимости можно использовать специальные, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные и др. резисторы. Переменные резисторы следует применять только по назначению. Нужно помнить, что подстроечные резисторы имеют небольшой ресурс перемещений (около 1000 циклов), а регулировочные – большую массу, габариты и высокую стоимость. Тип конденсатора выбирают по совокупности значений его номинальных емкости и рабочего напряжения. Если конденсатор выбирают для работы в цепи переменного или импульсного тока, то принимают во внимание его тангенс угла потерь. Требования к точности определяются, также как и для резисторов, чувствительностью схемы ЭУ к разбросу параметров. Реальное напряжение на конденсаторе не должно превышать 60 70 % от допустимого рабочего напряжения для данного типа конденсатора. Это требование соблюдается и для пульсирующих, импульсных напряжений. Слишком большой запас по напряжению ведет к увеличению массы, габаритов и стоимости ЭУ. Сведения о некоторых наиболее часто употребляемых типах конденсаторов приведены в Приложении. Главное условие использования микросхем - строгое соблюдение режимов работы, рекомендованных в технических условиях на выбранную микросхему (МС), и, в первую очередь, по напряжению питания, сопротивлению нагрузки и диапазону температур. Из всего многообразия МС следует выбирать такие, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям по быстродействию, потреблению, помехоустойчивости и стоимости. При выборе МС необходимо избегать применения ИС с разными базовыми элементами и разных серий, если их напряжение питания и напряжения логических