Функциональные устройства телекоммуникаций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"

Кафедра защиты информации

Контрольная работа

Функциональные устройства телекоммуникаций

2015



Задание №1

Исходные данные (Вариант №2):

Напряжение источника питания: Еп=12 В;

Ток коллектора в рабочей точке: I0K=6 мА;

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке: U0КЭ=4 В;

ЭДС: EГ=250 мВ;

Внутреннее сопротивление источника сигнала: RГ=0,8 кОм;

Нижняя рабочая частота: fН=50 Гц;

Верхняя рабочая частота: fВ=15 кГц;

Частотные искажения: M=MН=МВ=2 дБ;

Граничные значения температур окружающей среды: tСМИН= 10^оC;

tСМАКС= 55^оC.

Определим тип требуемого транзистора.

Транзисторы классифицируются по мощности и частоте, исходя из Еп=12 В, I0K=6 мА и fВ=15 кГц нам потребуется низкочастотный транзистор малой мощности (до 0,3 Вт). Заданным условиям отвечает транзистор типа МП25 [3]. Это германиевый сплавной транзистор p-n-p типа, приведем его параметры:

Минимальное и максимальное значение коэффициента передачи тока:

h21ЭМИН=10

h21ЭМАКС=25

(Режим измерений: UКБ=-20В; IЭ=2,5 мА; tС=20^оC)

Емкость коллекторного перехода СК=70 пФ

(Режим измерений: UКБ=-20В; f=500 кГц)

Объемное сопротивление области базы rБ=160 Ом

(Режим измерений: UКБ=-20В; IЭ=2,5 мА; f=500 кГц)

Предельная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ: fh21Э=200 кГц

(Режим измерений: UКБ=-20В; IЭ=2,5 мА)

Обратный ток коллектора IКБО=75 мкА

(Режим измерений: UКБ =UКБМАКС)

Рассчитаем параметры малосигнальной модели биполярного транзистора [1].

Среднее значение коэффициента передачи тока равно:

==15,8. (1.1)

Выходная проводимость определяется как

=6*10-5 См. (1.2)

Здесь UA-- напряжение Эрли, равное 70... 150 В у транзисторов типа р-n-р.

Объемное сопротивление области базы rБ можно определить из постоянного времени фК коллекторного перехода:

=160 Ом (1.3)

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется по формуле:

(1.4)

rБ'Э=70 Ом



где - дифференциальное сопротивление эмиттера;

26 мВ - температурный потенциал при Т = 300 К;

m=1 -- поправочный коэффициент, принимаемый примерно равным 1 для германиевых транзисторов.

Входное сопротивление транзистора:

=160+70=230 Ом (1.5)

Емкость эмиттерного перехода равна:

=11 нФ (1.6)

Проводимость прямой передачи:

=0,07 См (1.7)

Рассчитаем параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора по дрейфу [1].

Минимальная температура перехода транзистора

(1.8)

где PK -- мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора;



(1.9)

PK=4·6·10-3=24 мВт,

tПМИН = 10+0,2·103·0,024= 15°С.

Максимальная рабочая температура перехода:

tПМАКС= tСМАКС+ RПС PK (1.10)

tПМАКС=55+0,2·103·0,024=60°С

Значение параметра h/21Э транзистора при минимальной температуре перехода:

(1.11)

h/21Э =13.

Значение параметра h//21Э транзистора при максимальной рабочей температуре перехода:

(1.12)

h//21Э =25.

Изменение параметра Дh21Э в диапазоне температур:

(1.13)

Дh21Э =25-13=12.



Изменение обратного тока коллектора в диапазоне температур:

(1.14)

ДIКБ0=75·10-6·100,03*(60-25)=830 мкА,

где б -- коэффициент, принимаемый для германиевых транзисторов в интервале 0,03-- 0,035

Эквивалентное изменение тока в цепи базы в диапазоне температур:

(1.15)

ДI0==0,9 мА.

Эквивалентное изменение напряжения в цепи базы, вызванное изменением температуры окружающей среды:

(1.16)

ДU0=(2,2·10-3·50-5)+0,04)=0,14 В.

Рассчитаем элементы эммитерной стабилизации тока покоя транзистора:

Зададимся падением напряжением на сопротивлении RЭ в цепи эмиттера транзистора равным

URэ=0,3Eп=0,3·12=3,6 В. (1.17)

Определим сопротивление этого резистора:



(1.18)

RЭ==600 Ом

а также сопротивление резистора в цепи коллектора:

(1.19)

RК==730 Ом

Округлим их значения до ближайших стандартных, они будут равны соответственно 620 Ом и 750 Ом

Зададимся допустимым изменением тока коллектора в диапазоне температур из условия

(1.20)

ДI0К=0,5I0K=0,5·6·10-3 =3 мА

При этом необходимо учитывать, что меньшее значение изменения этого тока приводит к увеличению тока, потребляемого резистивным делителем в цепи базы, к снижению входного сопротивления и ухудшению КПД каскада.

Исходя из требуемой стабилизации тока покоя каскада, определяют эквивалентное сопротивление в цепи базы транзистора:



(1.21)

==1,2кОм

Рассчитаем ток базы в рабочей точке:

==380 мкА (1.22)

Пусть U0БЭ=0,3 В

Напряжение на нижнем плече резистивного делителя в цепи базы:

(1.23)

URБ2=3,6+0,3=3,9 В

Сопротивление верхнего плеча резистивного делителя в цепи базы:

(1.24)

RБ1=3,3 кОм

Сопротивление нижнего плеча делителя в цепи базы:

(1.25)

RБ2=2,5 кОм



Входные сопротивления рассчитываемого RВХ и последующего

RВХ2= RН каскадов:

(1.26)

RВХ1==190 Ом

Выходное сопротивление каскада:

(1.27)

Определим емкости разделительных (СР1 и СР2) и блокировочного (СЭ) конденсаторов.

Эти конденсаторы вносят частотные искажения в области нижних частот примерно в равной степени. В связи с этим заданные на каскад частотные искажения МН(дБ) в децибелах целесообразно распределить поровну между данными элементами:

МНСР1=МНСР2=МНСЭ=0,67 дБ =1,08

Емкость первого разделительного конденсатора:



(1.28)

СР1==7,8 мкФ

(стандартная величина - 10 мкФ)

Емкость второго разделительного конденсатора:

(1.29)

СР2==8,7 мкФ

(стандартная величина - 10 мкФ)

Емкость блокировочного конденсатора в цепи эмиттера:

(1.30)

Где (1.31)

М0==11;

СЭ==15 мкФ

(стандартная величина - 20 мкФ);

Сопротивление нагрузки каскада по переменному току:



(1.32)

==150 Ом

Коэффициент передачи каскада по напряжению:

(1.33)

КU=0,07·150=10,5.

Сквозной коэффициент передачи по напряжению:

(1.34)

КЕ==2.

Выходное напряжение каскада:

(1.35)

UВЫХ=250·10-3·2=500 мВ

Коэффициент передачи тока:

(1.36)

Ki==10,5.



Коэффициент передачи мощности:

(1.37)

KP=10,5·10,5=110.

Верхняя граничная частота каскада определяется по формуле:

(1.38)

где -- эквивалентная постоянная времени каскада в области верхних частот.

Постоянную времени можно определить из выражения

(1.39)

Где

и -- постоянные времени входной и выходной цепей соответственно.

Эти постоянные времени определяются по формулам

(1.40)

(1.41)

где С0 -- эквивалентная входная емкость каскада,

Сн -- емкость нагрузки.

Эквивалентная входная емкость каскада включает емкость перехода база -- эмиттер и пересчитанную на вход емкость перехода база -- коллектор Ск:

(1.42)

С0=1,1·10-8 +7·10-11·(1+10,5)= 12 нФ;

==1,8 мкс; ==1,8 мкс;

= =2,5 мкс.

fВ==62 кГц.

Определим частотные искажения в области верхних частот

(1.40)

МВ==0,24

и сравним их с заданным значением М. Т.к. МВ(дБ)<М(дБ), то транзистор соответствует поставленным условиям.



Задание №2

транзистор ток конденсатор эмиттер

тип схемы: 8;

тип транзистора: n-p-n - КТ3102А, p-n-p - КТ3107А

Выпишем основные параметры транзисторов:

КТ3102А	КТ3107А
h21Эmin=100	h21Эmin=70
h21Эmax=250	h21Эmax=140
|h21Э|=1,5	|h21Э|=2
fизм=100 МГц	fизм=100 МГц
фK=500 пс	фK=500 пс
CK=6 пФ	CK=7 пФ

Определим потенциалы баз транзисторов:

(2.2)

(2.3)



Найдем потенциалы эмиттеров транзисторов:

(2.4)

(2.5)

Напряжение U0БЭ выбирается в интервале 0.5-0,7 В для кремниевых транзисторов, выберем U0БЭ=0,6В.

Рассчитаем токи в резисторах, подключенном к эмиттерам транзисторов VT1 и VT2:

(2.6)

Рассчитаем ток коллектора в рабочей точке, для этого найдем сначала среднее значение коэффициента передачи тока:

(2.7)

(2.8)

Определим напряжение на коллекторах в рабочей точке:



(2.9)

(2.11)

Напряжение коллектор-эмиттер транзисторов:

(2.12)

(2.13)

Для обоих транзисторов выполняется условие UКЭ> UБЭ, следовательно, транзисторы работают в активном режиме.

По результатам расчета статического режима определяются параметры моделей первого и второго транзисторов:

Выходная проводимость определяется как

(2.14)

Здесь UA-- напряжение Эрли, равное 70-200 В Примем UA=100В.

Предельная частота усиления транзистора по току определяется по единичной частоте усиления fТ:

(2.15)



Объемное сопротивление области базы rБ можно определить из постоянной времени фК коллекторного перехода транзистора и его емкости СК:

(2.17)

Дифференциальное сопротивление эмиттерных переходов определяется по формуле:

Емкости эмиттерных переходов равны:

(2.19)

Определим коэффициент передачи по напряжению, входное и выходное сопротивление оконечного каскада.

Входное сопротивление транзистора VT2:

(2.20)

Входное сопротивление каскада:

(2.21)

- сопротивление базового делителя оконечного каскада.

Выходное сопротивление каскада:

(2.22)

Сопротивление нагрузки каскада по переменному току:

(2.23)

Коэффициент передачи каскада по напряжению:

(2.24)

Определим коэффициент передачи по напряжению, сквозной коэффициент передачи по напряжению, входное и выходное сопротивления входного каскада. При этом необходимо учитывать, что нагрузкой входного каскада является входное сопротивление оконечного каскада. Входной каскад построен по схеме с ОЭ.

Входное сопротивление транзистора VT1:

Входное сопротивление каскада:

(2.21)

- сопротивление базового делителя входного каскада.

Выходное сопротивление каскада:

(2.22)

Сопротивление нагрузки каскада по переменному току:

(2.23)

Коэффициент передачи каскада по напряжению:



(2.24)

Сквозной коэффициент передачи по напряжению:

(2.31)

Коэффициент передачи по напряжению всего усилителя определяется по формуле

KU= KU1· KU2=6,5·3,4=22 (2.32)

Сквозной коэффициент передачи по напряжению KE всего усилителя определяется аналогично:

KЕ= KЕ1· KU2=2,9·3,4=9,9 (2.33)

Входное сопротивление усилителя определяется входным сопротивлением входного каскада, а выходное - выходным сопротивлением оконечного каскада.

Постоянные времени в области нижних частот, связанные с разделительными конденсаторами С1, С 3 и С4 определяются по формулам:

фН1=С1·(Rг+ RВХ1)=5·10-6·(1·103+830)=9,5 мс (2.34)

фН3=С3·(RВЫХ1+ RВХ2)= 5·10-6·(200+490)=3,4 мс (2.35)

фН4=С4·(RВЫХ2+ RН)= 10·10-6·(596+1000)=16 мс



Постоянная времени в области нижних частот, связанная с блокировочным конденсатором С2 определяется по формулам:

(2.36)

где Ом - выходное сопротивление первого каскада по цепи эмиттера,

а - эквивалентное сопротивление источника сигнала.

Эквивалентная постоянная времени каскада в области нижних частот определяется по формуле

Нижняя граничная частота равна

. (2.39)

В усилителе имеются три постоянных времени, связанных с входом первого каскада, с входом и выходом второго каскада и определяющих значение верхней граничной частоты.

Эти постоянные времени равны:



,

где - входная емкость первого каскада,

- эквивалентное сопротивление источника сигнала;

,

где

.

Эквивалентная постоянная времени каскада в области верхних частот

,

а верхняя частота среза

.



Литература

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства / Г.В. Войшвилло. - М.: Радио и связь, 1983.

2. Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. - М.: Мир, 1982.

3. Галкин В.И. Полупроводниковые приборы: справочник / В.И. Галкин, А.Л. Булычев, В.А. Прохоров. - 2-е изд. - Минск: Беларусь, 1987.

Размещено на Allbest.ru