Методические указания и задания по курсовому проектированию для студентов 2 курса специальности 230104 Системы автоматизированного проектирования по дисциплине 2730 "аналоговые и цифровые устройства"

Вид материала

Методические указания

Содержание Задание на курсовую работу Последняяя цифра в шифре Номер лаб. работы Тип транзистора Исследование усилителей на полевых транзисторах 2. Краткие теоретические сведения Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов. 3. Требуемые приборы и оборудование 4. Методические указания по выполнению лабораторной работы 4.2. Подать от источника питания ИП 1 напряжение + 5В. 5. Содержание отчета 6. Контрольные вопросы Рекомендуемая литература Исследование работы транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером 2. Краткие теоретические сведения Рис. 1. Транзисторы типов р-n-р и n-р-n. 3. Предварительная подготовка к работе 4. Методические указания по выполнению лабораторной работы 5. Содержание отчета 6. Контрольные вопросы ... Полное содержание

Подобный материал:

• Методические указания для изучения дисциплины «Введение в специальность» для студентов, 90.16kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине: «Организация эвм, комплексов, 486.74kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "антикризисное управление", 137.98kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по учебной дисциплине «инновационный, 378.33kb.
• Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «страхование» для студентов, 1442.66kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по учебной дисциплине «Управленческие, 1355.04kb.
• Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «страхование» для студентов, 1282.26kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Технология автоматизированного, 236.9kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по учебной дисциплине, 1609.55kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине Москва 2001 для студентов, 2418.6kb.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ по

КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ для

СТУДЕНТОВ 2 КУРСА СПЕЦИАЛЬНОСТИ 230104»Системы автоматизированного проектирования» по ДИСЦИПЛИНЕ 2730 “АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА”.


Темой курсовой работы является моделирование и исследование линейного аналогового устройства стенда лабораторной работы в программной среде EWB. В качестве моделируемого устройства предлагается усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком (лабораторная работа N1) и усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (лабораторная работа N2). Задание на курсовую работу выбирается по последней цифре шифра студента на основании нижеследующей таблицы , в которую включен также тип транзистора, используемого в усилительном устройстве.


Методические указания по курсовому проектированию рассмотрены и одобрены на заседании кафедры ПР-7.

Протокол№_______ от _________2007г.

Зав. каф. ПР-7___________ Сахаров Ю.С.


Автор: доцент Волкова Т.М.

Рецензент:


Задание на курсовую работу


Разработать модель усилительного каскада в программной среде EWB схемы лабораторного стенда. Тип транзистора и номер лабораторного стенда задаются по последней цифре шифра студента. Произвести исследование основных характеристик разработанной модели усилительного устройства в нормальных условиях его эксплуатации.

Последняяя цифра в шифре	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Номер лаб. работы	1	1	1	1	1	2	2	2	2	2
Тип транзистора	КП-103	КП-103	Кп-103	КП-303	КП-303	КТ-315	КТ-315	КТ_315	КТ-315	КТ-315

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование усилительного устройства следует проводить в соответствии с методическими указаниями по выполнению лабораторной работы (п.4). Все виды моделирования, в том числе и промежуточные, необходимо представить в виде графических иллюстраций результатов анализа. моделей.

При использовании современных систем схемотехнического моделирования ( например, ELECTRONICS WORK BENCH v.5.12, MICRO-CAP), оснащенных графическими редакторами, ввод информации об электронных компонентах схемы и способе их соединения обеспечивает изображение принципиальной электрической схемы устройства .

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной лабораторной работы является изучение и исследование основных параметров полевых транзисторов.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Полевые транзисторы обладают рядом ценных свойств, присущих биполярным транзисторам (малые габариты, экономичность, долговечность и т.д.). К отличительным же свойствам полевых транзисторов можно причислить, по сравнению с биполярными, малые шумы в области низких частот, малую мощность, необходимую для управления прибором из-за большого входного сопротивления и др.

Все перечисленные особенности позволяют создавать ряд новых схем и упрощать известные схемы. Используя большое входное сопротивление полевого транзистора, можно улучшить коэффициент передачи усилителя и снизить его коэффициент шума. Наличие термостабильной точки позволяет снизить дрейф в усилителях постоянного тока.

Простая модель полевого транзистора (ПТ) с управляющим p-n переходом представлена на рис. 1:



Рис.1.

Прибор состоит из пластины полупроводника с n- (или р-) проводимостью, имеет на боковых торцах контакты стока и истока, а на гранях - слои иного типа проводимости, соответственно р (или n). Последние образуют с пластинкой р-n переход. Сами электроды, связанные со слоем р (n), называются затворами. При подключении к р-n переходам источника напряжения с обратным смещением Е_см управляющий р-n переход, обратно смещенный относительно канала, образует изолирующий обедненный слой, который, распространяясь в проводящий канал, эффективно ограничивает его размеры. При этом происходит увеличение области пространственного заряда. Если же к стоку подключить положительное по отношению к истоку транзистора напряжение Е_си (для канала n - типа), то по каналу потечет ток основных носителей I_c.

Принцип действия полевого транзистора с управляющим р-n переходом заключается в том, что при изменении потенциала затвора меняется ширина р-n перехода, что приводит к изменению ширины канала. Вследствии этого происходит изменение его сопротивления, а поэтому и тока I_c. Так как р-n переход работает в обратном включении, его входное сопротивление велико, а входная мощность сигнала мала. При больших значениях Е_си области пространственного заряда смыкаются и рост тока стока прекращается. Этот режим называется насыщением, а напряжение Е_си, при котором канал полностью запирается, называется напряжением отсечки.

Общим для всех ПТ с управляющим р-n переходом является возможность работы только при возбуждении их сигналом какой-то одной полярности, так как при подаче сигнала обратной полярности через р-n переход затвора протекает ток. В ряде случаев это явление может приводить к нежелательным и даже очень серьезным последствиям.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов.

Ток стока ПТ зависит как от значения, так и от полярности напряжений Е_си и Е_зи.

Как было сказано ранее, при постоянном смещении на затворе увеличение напряжения на стоке от нуля вызывает резкое возрастание тока стока, которое продолжается до наступления насыщения тока стока. Затем ток устанавливается и остается относительно постоянным.

Типичная зависимость ПТ с р-n переходом показана на рисунке 2. Данная характеристика подобна характеристике биполярного транзистора и отличается лишь знаком управляющего напряжения, наклоном при малых значениях Е_си и тем, что у биполярных транзисторов перегиб характеристик происходит на значительно более низких напряжениях на коллекторе. На выходных характеристиках ПТ можно выделить две области. При малых значениях Е_си (левее прямой 0 В) сопротивление канала имеет омический характер и ток может протекать в обоих направлениях. Рабочая область левее 0 В используется при применении ПТ в качестве переменного сопротивления, управляемого напряжением.



Рис. 2.

Основные параметры полевого транзистора.

2.1. Ток насыщения (I_со).

Ток насыщения в цепи стока транзистора, включенного по схеме с ОИ при Е_зи = 0 определяется по формуле:

I_с = I_со (1 - Е_зи / U_отс) , где U_oтc - напряжение отсечки, В.

2.2. Напряжение отсечки (U_отс).

При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал ПТ, и ток стока при этом стремится к нулю. Измерение значения U_отс проводится при достижении нормированного для каждого типа ПТ значения тока стока. Например U_отс транзисторов КП 103, КП 303 измеряется при токе стока 10 мкА.

2.3. Крутизна проходной характеристики (S).

Управление выходным током ПТ осуществляется входным напряжением и для характеристики усилительных свойств ПТ используется крутизна, вычисляемая по формуле:

при Е_си = const.

Крутизна характеристики маломощных полевых транзисторов во много раз меньше, чем у биполярных, поэтому при одинаковых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на ПТ меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

Максимальное значение крутизны характеристики ПТ S_макс достигается при Е_зи = 0, и тогда для крутизны характеристики в любой рабочей точке справедливо:

S = S_макс (1 - Е_зи / U_отс).

Э
квивалентная схема ПТ приведена на рисунке 3:


Рис. 3. Эквивалентная схема полевого транзистора.

В схему входят входная, выходная, переходная емкости С_зи, С_си, С_зс соответственно, сопротивления запертых р-n переходов R_зи и R_зс, выходная проводимость транзистора:

/ Е_зи = const.

и генератор тока S * U_зи.

3. ТРЕБУЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Лабораторная работа выполняется на стенде СЛАУ с использованием следующих блоков:

- блока, в котором размещены транзисторы КП 103, КП 303;

- блока, содержащего переменные источники питания.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

4.1. Собрать схему измерений в соответствии с рисунком 4.



Рис. 4.

Схема включения ПТ - схема с общим истоком - обычно является типовой при снятии вольт-амперных характеристик. На данном рисунке приняты следующие обозначения: ИП 1 - переменный источник питания с напряжением 0 - 6.3 В. ИП 2 - переменный источник питания с напряжением 0 -12.6 В. А - миллиамперметр с диапазоном измерения тока 0 - 15 мА. V1, V2 - вольтметры постоянного напряжения. VT1 - ПТ (тип - КП 103 или КП 303 - задается преподавателем).

4.2. Подать от источника питания ИП 1 напряжение + 5В.

4.3 Подать от источника питания ИП 2 напряжение 0 В, затем изменять напряжение дискретно с шагом 2 В до 12 В, снимая показания с миллиамперметра. Полученные данные занести в таблицу (см. табл. 1).


Таблица 1

Uv2, B	0	2	4	6	8	10	12
I2, мА

U_v1 =____В

4.4. Уменьшить напряжение ИП 1 на 1 В.

4.5. Повторять пп. 4.2. и 4.3. до тех пор, пока напряжение ИП 1 не достигнет нуля.

4.6. По полученным значениям построить выходную вольт-амперную характеристику.

4.7. Построить нагрузочную прямую на полученных ВАХ для сопротивления нагрузки 3 кОм, выбрать рабочую точку, определить в ней крутизну полевого транзистора.

4.8 Провести основные виды анализа ( DC режим по постоянному току, AC режим по переменному току АЧХ, ФЧХ и переходной процесс TRANSIENT ) модели усилителя с общим истоком и сопротивлением нагрузки 3 кОм.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать по пунктам задание, данные измерений, сведенные в таблицы, построенные графики, схему измерительной установки, необходимые расчеты и выводы.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Нарисуйте модель ПТ с управляющим р-n переходом и объясните принцип работы.

6.2. Объясните, сигналом какой полярности возбуждается ПТ с р-n переходом.

6.3. Чем отличаются выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) полевого транзистора от биполярного?

6.4. Нарисуйте ВАХ ПТ и охарактеризуйте их.

6.5. Какими основными параметрами характеризуется ПТ?

6.6. Какими достоинствами обладают ПТ по сравнению с биполярными?

6.7. Нарисуйте эквивалентную схему ПТ.

7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
   

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов.  2-е изд. перераб. и доп.  М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 г., с. 99…124.
   

1. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника. Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина  М.: Горячая линия  Телеком, 2000 г., с. 52…63.
   
2. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Cолон, 1999.
   

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной лабораторной работы является исследование характеристик биполярных транзисторов и параметров транзисторных усилителей с общим эмиттером (ОЭ).

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Транзистор - полупроводниковый прибор с несколькими р-n переходами, способный усиливать электрические сигналы. Транзисторы подразделяют на два типа: р-n-р и n-р-n (см. рис. 1).



Рис. 1. Транзисторы типов р-n-р и n-р-n.

Наибольшее распространение получила схема включения транзистора с ОЭ, когда эмиттер заземлен по переменной составляющей, т.е. эмиттерный зажим является общим для входного (U_бэ) и выходного (U_кэ) напряжений (см. рис. 2).



Рис. 2. Схема включения транзистора с ОЭ.

Для анализа усилителей с ОЭ пользуются семейством входных и выходных характеристик транзистора (см. рис. 3).



Рис. 3. Семейство входных I_б(U_бэ) к выходных I_к (U_кэ) характеристик транзистора КТ-315.

Для малого сигнала транзистор можно рассматривать как линейный элемент (четырехполюсник), для которого справедливы уравнения:



где / U_кэ = const - входное сопротивление транзистора,

/ U_кэ = const - коэффициент усиления по току, (),

/ I_б = const - коэффициент внутренней обратной связи,

/ I_б = const - выходная проводимость транзистора.

Указанные h - параметры транзистора обычно приводятся в его справочных данных. В соответствии с уравнениями транзистора в h - параметрах вводится эквивалентная схема транзистора (см. рис. 4).



Рис. 4. Эквивалентная схема транзистора.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (см. рис. 5) содержит элементы схемы стабилизации рабочей точки (R1, R2, R_э), разделительный конденсатор С_р (1 / Wc p  Rк), эмиттерный конденсатор С_э (1 / Wс э << R_э). Указанные соотношения для С_р и С_э должны выполняться на всех частотах усиливаемых напряжений.

Отметим, что выходное напряжение каскада U_вых отличается от входного U_вх примерно на 180°.

Для расчета основных параметров усилительного каскада можно воспользоваться графоаналитическим методом. С этой целью на графике I_к(U_кэ) проводим нагрузочную прямую U_кэ = Е_к - R_к I_к (см. рис. 6). Рабочая точка для режима А выбирается в середине переходной характеристики I_к(I_б), которая строится по точкам пересечения нагрузочной прямой и ветвями выходной характеристики транзистора. Это соответствует примерно середине рабочего участка нагрузочной прямой.



Рис. 5. Усилительный каскад с общим эмиттером со схемой стабилизации рабочей точки.


Переходная характеристика



Рис. 6. Построение нагрузочной прямой и переходной характеристики

В рабочей точке по графикам находим ток покоя на базе I_бо, ток покоя коллектора I_ко и напряжение покоя на коллекторе U_кэо. По входной характеристике при известном токе покоя базы I_бо находим напряжение смещения на базе U_бэо.

По найденным h - параметрам можно определить коэффициенты усиления каскада по напряжению К_u и току K_i, входное R_вх и выходное сопротивления каскада R_вых по формулам:

; ; ;

,

где R_i - внутреннее сопротивление генератора (около 1 КОм).

Граничные частоты полосы пропускания каскада в области низших f_н и высших f_в частот определяются по формулам:

; ,

где ; ,

С_пар - паразитная емкость каскада.


3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

Предварительная подготовка к работе заключается в расчете основных параметров усилительного каскада с ОЭ (см. рис. 5).

3.1. Перенести на отдельный лист графики, изображенные на рис. 3, (при этом в данном описании ручкой не чертить!).

3.2. На полученных ВАХ построить нагрузочную прямую транзистора КТ - 315.

3.3. В соответствии с заданными исходными данными и приведенными в предыдущем разделе формулами рассчитать h - параметры транзистора. Найти К_u, K_i, R_вх, R_вых, граничные частоты f_н, f_в, выбрать рабочую точку транзистора КТ - 315. Исходные данные приведены в таблице 1.

3.4. Построить переходную характеристику транзистора.


Исходные данные. Таблица 1

№ бригады	Ек, В	Rк, Ом	Сp, мкФ	Cпар, пФ
1	12	670	5,1	50
2	6	470	0,1	80
3	12	200	5,0	150

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

4.1. Собрать схему каскада с ОЭ, используя блок 101 стенда СЛАУ:



Рис. 7. Схема каскада с ОЭ.

Значения С_р, R_к установить на блоке 101 в соответствии с заданными выше исходными данными, применяя для этого соединительные проводники и требуемый для этого способ включения резисторов R3 = 200, R4 = 470 и конденсаторов С1 = 5 мкФ, С2 = 0,1 мкФ.

Перед включением стенда схема должна быть проверена преподавателем!

4.2. Установить рабочую точку транзистора, полученную в пп. 3. Для этого с помощью вольтметра и потенциометра на базе транзистора установить напряжение U_бэо, и, меняя его в пределах 0,6 - 0,9 В, снять зависимости U_кэ(U_бэ), I_к (U_бэ).

Полученные результаты записать в таблицу (см. табл. 2).

Таблица 2.

Uбэ, В	Uкэ, В	Iк = (Ек - Uкэ) / Rк, A

Построить графики зависимостей: U_кэ(U_бэ), I_к(U_бэ).

4.3. Подать на вход схемы сигнал f = 1 КГц с генератора звуковой частоты (ГЗЧ). Подключить к коллектору транзистора осциллограф. Установить такое смещение на базе U_бэо, чтобы ограничение входного сигнала с ГЗЧ наступало одновременно снизу и сверху. При этом контролировать изображение на экране осциллографа.

Сравнить это значение смещения с величиной U_бэо, полученной в пп. 3.

4.4. Снять амплитудную характеристику U_кэ(U_бэ) каскада на переменном токе, изменяя U_бэ с 1 мВ до момента ограничения. Зарисовать осциллограмму. Составить таблицу. Определить коэффициент усиления каскада. Сравнить полученную амплитудную характеристику с аналогичной характеристикой по постоянному току из пп. 4.2.

4.5. Установить смещение на базе, соответствующее отсечке ровно половины входного напряжения (режим В, угол отсечки - 90°). Вновь снять амплитудную характеристику, зарисовать осциллограмму на коллекторе.

4.6. Дополнить схему включением в эмиттер резистора R5 = 10 Ом и конденсатора С6 = 50 мкФ, как показано на рис. 5. Снять зависимость U_кэ(f) (т.е. АЧХ каскада) при работе в режиме А. Для этого надо установить такое смещение на базе и такое напряжение с ГЗЧ, чтобы на коллекторе осциллограф отображал бы неискаженную синусоиду. В дальнейшем при перестройке генератора по частоте эти значения не должны меняться. Частоту ГЗЧ менять от 0,1 КГц до 2 МГц. Полученные результаты записать в таблицу (см. табл. 3).

Таблица 3

f, кГц	Uбэ, мВ	Uкэ, В	К = Uкэ / Uбэ

Построить график снятой зависимости, для удобства откладывая по горизонтальной оси логарифм частоты:



Определить граничные частоты полосы усиления усилителя по построенному графику АЧХ. Сравнить граничные частоты с рассчитанными в пп. 3.

4.7. Повторить действия пп. 4.6. дважды для двух новых значений емкости С_р, подключая для этого к базе конденсаторы С1, С2 поодиночке или включив их параллельно. Построить графики полученных АЧХ на том же рисунке, что и ранее и сделать вывод о влиянии емкости С_р на АЧХ.

4.8. Повторить действия пп. 4.6. трижды для значений С_э: С5 = 10 мкФ, С4 =1 мкФ, С3 = 0,1 мкФ.

Построить три полученные АЧХ на одном графике и сделать вывод о влиянии Сэ на АЧХ усилителя.

4.9. Собрать схему двухкаскадного RC - усилителя. Для этого напряжение с выхода каскада блока 101 подать на вход аналогичного каскада блока 103.

Снять АЧХ усилителя в режиме А.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- схему каскада RC - усилителя;

- результаты предварительной подготовки к работе;

- таблицы измеренных значений;

- графики;

- выводы по полученным результатам.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Нарисуйте схему RC - усилителя и поясните назначение элементов схемы.

6.2. Поясните принцип работы транзистора в усилительном каскаде с ОЭ.

6.3. Как определить h - параметры транзистора по его вольт-амперным характеристикам?

6.4. Как строится переходная характеристика транзистора?

6.5. Из каких соображений выбирается рабочая точка каскада с ОЭ в режиме А?

6.6. Приведите АЧХ каскада в области НЧ и поясните, от чего она зависит.

6.7. Приведите эквивалентную схему каскада с ОЭ в области ВЧ, вид АЧХ, поясните, чем определяется усиление каскада в области ВЧ.

6.8. Поясните влияние Сэ и Ср на АЧХ каскада с ОЭ.

8. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов.  2-е изд. перераб. и доп.  М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 г., с. 145…155.
   
2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника. Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина  М.: Горячая линия  Телеком, 2000 г., с. 183…197.
   
3. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Cолон, 1999.