Объяснения к курсовому

9

Структура и содержание курсового проекта.

1. Задание.

1.1. Рассчитать процессы изменения во времени токов и напряжений в электрической схеме, представленной на чертеже 1, данные элементов которой приведены в перечне, прилагаемом к чертежу. Расчет процессов дать для первого цикла, возникающего при скачкообразном возникновении напряжений питания, а также для стационарного режима.

1.2. По результатам расчета построить в масштабе по осям координат временные диаграммы напряжений в контрольных точках, указанных на электрической схеме, а также временные диаграммы тока коллектора силового транзистора, входящего в ее выходной каскад, и напряжения коллектор-эмиттер. Все временные диаграммы привести отдельно для первого цикла работы схемы, а также для стационарного режима. Во временных диаграммах, относящихся к первому циклу, в качестве начала оси времени принять момент подачи напряжений питания. Во временных диаграммах, относящихся к стационарному режиму работы, в качестве начала оси времени принять момент отпирания силового транзистора.

2. Краткая характеристика электрической схемы, подлежащей анализу.

Представленная в задании для анализа электрическая схема образована совокупностью активных элементов, соединенными электрическими цепями прямых и обратных связей. Под активным элементом понимается устройство в виде многополюсника, содержащего входные и выходные сигнальные цепи. Основное свойство активного элемента состоит в том, что состояние выходных цепей многополюсника является функцией сигналов во входных цепях, а мгновенная мощность электрических процессов, которые возникают при изменении состояния выходных цепей, - выше (обычно значительно выше), чем мощность входных сигналов. Электрическая цепь прямой связи расположена между выходной цепью данного активного элемента и входной цепью следующего. Электрическая цепь обратной связи расположена между выходной цепью данного активного элемента и входной цепью либо его самого, либо одного из предыдущих активных элементов.

Простейшим активным элементом является триодная структура. В ней имеется одна входная цепь и одна выходная. Они объединены общей точкой (выводом). Свойство триодной структуры состоит в том, что состояние выходной цепи зависит от параметров сигнала во входной цепи (от величины напряжения или тока). Математически состояние выходной цепи описывается уравнениями, связывающими между собой напряжение и ток в выходной цепи с параметрами электрического сигнала во входной цепи. Для упрощения эти уравнения обычно преобразуют так, чтобы выходную цепь представить эквивалентной схемой замещения. Вид этой схемы и ее параметры зависят от параметров сигнала во входной цепи.

Более сложные активные элементы выполнены на основе полупроводниковых интегральных схем. Они обычно содержат как несколько входных сигнальных цепей, так и несколько выходных. Как правило, входные цепи объединены общей шиной. Поэтому несколько входных цепей отождествляются с несколькими управляющими выводами (входами). Напряжение в каждой из таких входных цепей численно равно потенциалу соответствующего управляющего входа относительно общей шины. Состояния выходных цепей в активных элементах, выполненных на основе интегральных схем, зависят от совокупности потенциалов, поданных на управляющие входы. Математически состояние каждой из выходных цепей описывается уравнениями, связывающими между собой напряжение и ток в данной выходной цепи с потенциалами, заданными на управляющие входы. Для упрощения эти уравнения обычно преобразуют так, чтобы каждую выходную цепь представить эквивалентной схемой замещения. Вид этой схемы и ее параметры зависят от потенциалов на управляющих входах.

Эквивалентные схемы замещения входных цепей активных элементов, выполненных на основе полупроводниковых интегральных схем, как правило, представляются в виде входных сопротивлений. Сопротивления столь значительны по величине (единицы-десятки МОм), что токами входных цепей можно пренебречь при расчетах.

2.1. Активные элементы, используемые в исследуемых электрических

схемах.

Исследуемые схемы построены с применением четырех видов активных элементов. Их свойства далее описываются с помощью эквивалентных схем замещения выходных и входных цепей. Эквивалентные схемы зависят от параметров электрических сигналов во входных цепях активных элементов.

2.1.1. Биполярный npn-транзистор.

Биполярный npn-транзистор относится к триодным структурам, т.е. имеет две цепи (входную и выходную), объединенные общей точкой. Таковой обычно является вывод эмиттера (эмиттер). Выводами входной цепи транзистора являются базовый (база) и эмиттерный, а выводами выходной цепи — коллекторный (коллектор) и эмиттерный.

В состоянии прямой проводимости транзистора ток его входной цепи (ток базы I_б) имеет направление от базы к эмиттеру, и потенциал базы положителен по отношению к эмиттеру (U_бэ>0). Ток выходной цепи (ток коллектора I_к) имеет направление от коллектора к эмиттеру, и потенциал коллектора положителен по отношению к эмиттеру (U_кэ > 0). Возможны два режима работы. Первый - режим высокой проводимости (насыщения), второй - активный.

В режиме насыщения транзистора его выходная цепь эквивалентна сопротивлению r_кн. Условием реализации этого режима является выполнение неравенства u_кэ < r_кн • В • i_б, где uкэ и i_б - мгновенные значения напряжения коллектор-эмиттер и тока базы соответственно, а В - параметр (коэффициент усиления транзистора по току), причем В >> 1. Так как при работе в режиме насыщения u_кэ = r_кн • i_к, где i_к — мгновенное значение тока коллектора, то условие работы в этом режиме может быть представлено в виде другого неравенства i_к < В • i_б. Соотношения u_кэ < r_кн • В • i_б и i_к < В • i_б - эквивалентны, но второе более часто используется на практике как критерий работы транзистора в режиме насыщения.

В активном режиме работы транзистора его выходная цепь эквивалентна источнику тока i_к = В • i_б. Условием реализации этого режима является выполнение неравенства u_кэ ≥ r_кн • В • i_б.

В состоянии прямой проводимости транзистора его входная цепь представляется источником постоянного напряжения ΔU_бэ. Он направлен навстречу току базы и отображает падение напряжения на эмиттерном рn-переходе.

В состоянии низкой проводимости (отсечки) транзистора его входная и выходная цепи принимаются эквивалентными бесконечно большим сопротивлениям. Условием реализации режима отсечки являются выполнение неравенства φ_б< ΔU_бэ , в котором φ_б - потенциал базы по отношению к эмиттеру. Если неравенство выполняется, то i_б = 0 и i_к = 0.

При анализе процессов считается, что переход транзистора из одного состояния в другое происходит мгновенно. При этом состоянию проводимости отвечает выполнение условия i_б > 0, и тогда u_бэ = ΔU_бэ > 0.

2.1.2. Биполярный pnp-транзистор.

Биполярный pnp -транзистор относится к триодным структурам, т.е. имеет две цепи (входную и выходную), объединенные общей точкой. Таковой обычно является эмиттер. Выводами входной цепи транзистора являются база и эмиттер, а выводами выходной цепи - коллектор и эмиттер.

В состоянии прямой проводимости транзистора ток его входной цепи (ток базы I_б ) имеет направление от эмиттера к базе, и потенциал базы отрицателен по отношению к эмиттеру (U_бэ<0). Ток выходной цепи (ток коллектора I_к) имеет направление от эмиттера к коллектору, и потенциал коллектора отрицателен по отношению к эмиттеру (U_кэ<0). Возможны два режима работы. Первый — режим высокой проводимости (насыщения), второй - активный.

В режиме насыщения транзистора его выходная цепь эквивалентна сопротивлению r_кн. Условием реализации этого режима является выполнение неравенства | u_кэ |< | r_кн • В • i_б |, где u_кэ и i_б - мгновенные значения напряжения коллектор-эмиттер и тока базы соответственно, а В - параметр (коэффициент усиления транзистора по току), причем В >>1. Так как при работе в режиме насыщения u_кэ = r_кн • i_к, где i_к - мгновенное значение тока коллектора, то условие работы в этом режиме может быть представлено в виде другого неравенства | i_к | < | В • i_б |. Соотношения | u_кэ |< | r_кн • В • i_б | и | i_к | < | В • i_б | - эквивалентны, но второе более часто используется на практике как критерий работы транзистора в режиме насыщения.

В активном режиме работы транзистора его выходная цепь эквивалентна источнику тока i_к = В • i_б. Условием реализации этого режима является выполнение неравенства | u_кэ |< | r_кн • В • i_б | .

В состоянии прямой проводимости транзистора его входная цепь представляется источником постоянного напряжения ΔU_бэ. Он направлен навстречу току базы и отображает падение напряжения на эмиттерном рn-переходе ( ΔU_бэ - абсолютное значение этого падения напряжения).

В состоянии низкой проводимости (отсечки) транзистора его входная и выходная цепи принимаются эквивалентными бесконечно большим сопротивлениям. Условием реализации режима отсечки являются выполнение неравенства φ_б > - ΔU_бэ , в котором φ_б — потенциал базы по отношению к эмиттеру. Если неравенство выполняется, то i_б = 0 и i_к = 0.

При анализе процессов считается, что переход транзистора из одного состояния в другое происходит мгновенно. При этом состоянию проводимости отвечает выполнение условия | i_б | > 0, и тогда u_бэ = - ΔU_бэ < 0.

2.1.3. Операционный усилитель.

Операционный усилитель (ОУ) является многополюсником. Он имеет два сигнальных входа, - прямой и инверсный, - и один выход. Их потенциалы относительно отрицательной шины питания ОУ обозначаются соответственно символами φ_вх, φ_вх¯ и φ_вых . Потенциал положительной шины питания ОУ обозначается символом "Е" (Е>0), а потенциал его отрицательной шины считается равным нулю.

Возможны два режима работы ОУ, - активный и насыщения. Активный режим реализуется, если выполняется условие 0 < φ_вых < Е . В этом режиме выходная цепь представляется в виде соединенных последовательно эквивалентного источника напряжения Е_вых = К• (φ_вх - φ_вх¯ ), где К - коэффициент усиления ОУ, причем К >> 1, и сопротивления r_вых.

Они включены между отрицательной шиной питания и выходным выводом, который обозначен на принципиальной схеме ОУ символом " ".

Режим насыщения ОУ возникает при выполнении любого из двух условий: φ_вх - φ_вх¯ > Е/К или φ_вх - φ_вх¯ < 0. Если φ_вх - φ_вх¯ >Е/К, то Е_вых = Е. Если φ_вх - φ_вх¯ < 0, то E_выx = 0.

При анализе процессов в исследуемой схеме принимаются следующие упрощающие допущения.

Допущение 1. Сопротивления входных цепей усилителя бесконечно велики, т.е. равны нулю входные токи.

Допущение 2. Справедливы соотношения К → ∞ и r_вых = 0.

Допущение 3. Усилитель безинерционен, и переход от одного режима его работы к другому происходит без задержки во времени.

Если принять во внимание допущение 2, то при работе ОУ в активном режиме φ_вых = К • (φ_вх - φ_вх¯ ). Тогда из условия работы в этом режиме, записанном в виде неравенства 0 < φ_вых < Е, следует, что φ_вх - φ_вх¯ ≈ 0.

Условие работы ОУ в режиме насыщения в этом случае представляется соотношением φ_вх - φ_вх¯ ≠ 0. Если φ_вх - φ_вх¯ > 0, то φ_вых = Е . Если φ_вх - φ_вх¯ < 0, то φ_вых = 0.

2.1.4. Компаратор.

Компаратор является многополюсником. Он имеет два сигнальных входа, — прямой и инверсный. Их потенциалы относительно отрицательной шины питания обозначаются соответственно символами φ_вх , φ_вх¯ . Выходная цепь компаратора образована выходной цепью его "внутреннего" npn-транзистора, который может находиться в одном из двух возможных состояний, - низкой или высокой проводимости.

В состоянии низкой проводимости "внутреннего" транзистора сопротивление выходной цепи компаратора бесконечно велико, т.е. r_вых =r_кэ → ∞. Само это состояние (состояние "1" компаратора) возникает при выполнении условия φ_вх - φ_вх¯ > 0.

Состоянию высокой проводимости "внутреннего" транзистора соответствует его работа в режиме насыщения. Тогда выходная цепь компаратора представляется сопротивлением r_вых =r_кн. Такое состояние компаратора (состояние "О") возникает при выполнении условия φ_вх - φ_вх¯ < 0.