Контрольная работа по дисциплине "Электронные приборы и устройства"

Page 1

1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0
100
200
300
400
I U
( )
Вариант 16
Задача №1
Рассчитать и построить ВАХ идеализированного кремниевого диода в пределах
изменения напряжения от -5 до +0.7 В при Т=300К и обратном токе насыщения, равном
0
I .
Значение теплового потенциала
q
kT
T
при Т=300К принять равным 0.026 В.
Определить дифференциальное
диф
r
и статическое сопротивление
0
R диода для заданного
значения
пр
U .
Исходные данные:
).
(5
.0
);
(8
.0
0
В
U
нА
I
пр
Решение
Расчет ВАХ проведем в соответствии с выражением
1
0
kT
qU
e
I
I
, в котором величина
0
I представляет тепловой ток p-n-перехода, называемый также током насыщения. Для комнатной
температуры тепловой потенциал
)
(
026
.0
В
q
kT
T
. Результаты расчета прямой ветви (
0
U
)
ВАХ представлены в табл. 1.1.
Табл. 1.1
пр
U , В
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
,
пр
I
А
0
8
10
3.665
6
10
1.752
5
10
8.207
3
10
3.842
0.18
8.419
394.125
Результаты расчета обратной ветви (
0
U
) ВАХ представлены в табл. 1.2.
Табл. 1.2
обр
U , В
0
-0.05
-0.1
-0.2
-1
-5
,
обр
I
А
0
10
10
6.831
-
10
10
7.829
-
10
10
7.996
-
10
10
8-
10
10
8-
График прямой ветви (
0
U
) ВАХ изображен на рис. 1.1.
пр
I
пр
U
Рис. 1.1
График обратной ветви (
0
U
) ВАХ изображен на рис. 1.2.

---

Page 2

2
5
4
3
2
1
0
1 10
9
8 10
10
6 10
10
4 10
10
2 10
10
0
I U
( )
обр
I
обр
U
Рис. 1.2
Для определения дифференциального сопротивления диода
dI
dU
R
диф
, выбрав на прямой
ветви вольт-амперной характеристики рабочую точку А (
)
(
10
1.752
);
(2
.0
6
А
I
В
U
A
A
) и задав
небольшое приращение напряжения U , получают приращение тока I (рис. 1.1). Тогда
)
(
52.082
10
1.752
10
3.842
2.
0
4.
0
6
3
Ом
dI
dU
r
диф
Изменение напряжения U и соответствующее ему изменение тока I можно найти,
пользуясь расчетными значениями, сведенными в таблицу.
Аналитическое выражение для дифференциального сопротивления (сопротивления
переменному току) диода получим, взяв производную
dI
dU
из выражения для ВАХ диода
1
0
kT
qU
e
I
I
:
).
(
14840
10
1.752
026
.0
)
(
1
6
0
Ом
qI
kT
I
I
q
kT
r
диф
Статическое сопротивление диода (сопротивления постоянному току) в рабочей точке А
определяется как отношение напряжения в рабочей точке к току:
).
(
114100
10
1.752
0.2
6
0
Ом
I
U
R
Условие
диф
r
R
0
- выполняется.

---

Page 3

3
Задача №2
Стабилитрон подключен для стабилизации напряжения параллельно резистору
Н
R
, как
показано на рис. 1.3.
Известны параметры стабилитрона
max
min
;
;
ст
ст
ст
I
I
U
и сопротивление нагрузки
Н
R
.
Определите величину сопротивления ограничительного резистора
огр
R , если входное
напряжение
вх
U изменяется от
)
(
20
min
В
U
вх
до
)
(
30
max
В
U
вх
. Будет ли обеспечена
стабилизация во всем диапазоне изменения входного напряжения
вх
U ?
Исходные данные:
).
(9
);
(1
);
(
30
);
(5
max
min
В
U
кОм
R
мА
I
мА
I
ст
Н
ст
ст
R
огр
I
0
+
I
ст
I
Н
U
вх
VD
R
H
U
вых
= U
ст
_
Рис. 1.3
Решение
Выберем средний ток стабилитрона из условия
)
(
18
2
30
5
2
max
min
мА
I
I
I
ст
ст
ст
Необходимая величина входного напряжения
)
(
25
2
30
20
2
max
min
В
U
U
U
вх
вх
вх
Ток нагрузки
).
(
10
9
10
1
9
3
3
A
R
U
I
H
ст
H
При этом необходимая величина входного напряжения будет равна
).
(
ст
Н
орг
ст
вх
I
I
R
U
U
Отсюда можно найти необходимую величину ограничительного резистора:
).
(
604
10
)
18
9(
10
25
3
Ом
I
I
U
U
R
ст
Н
ст
вх
огр
Границы допустимого диапазона изменения входного напряжения определяем, пользуясь
выражениями
).
(
32.547
604
10
)9
30
(
9
)
(
).
(
17.453
604
10
)9
5(
9
)
(
3
max
max
3
min
min
В
R
I
I
U
U
В
R
I
I
U
U
огр
Н
ст
ст
вх
огр
Н
ст
ст
вх
Сравним с заданным диапазоном изменения входного напряжения.
Вывод: стабилизация напряжения осуществляется во всем диапазоне изменения входного
напряжения.

---

Page 4

4
Задача №3
Пользуясь справочными данными, приведите семейство входных и выходных
характеристик БТ с ОЭ. В качестве независимых переменных используйте входное и выходное
напряжение. Тип транзистора выберите в соответствии с шифром. Поясните поведение входных
и выходных характеристик транзистора.
По справочнику установите максимально допустимые параметры БТ: постоянный ток
коллектора
;
max
K
I
напряжение коллектор-эмиттер
;
max
KЭ
U
мощность рассеиваемую коллектором
транзистора
max
K
P
. На семейство выходных характеристик нанести границы области
допустимых режимов работы.
Задайтесь положением рабочей точки и, пользуясь характеристиками, рассчитайте для нее
значение h-параметров БТ. На основании полученных числовых значений параметров
рассчитайте параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора и изобразите ее.
Исходные данные: КТ368А,
);
(
30
max
мА
I
K
);
(
20
max
В
U
KЭ
)
(
225
max
мВт
P
K
Решение
Статические ВАХ БТ позволяют определить дифференциальные параметры транзистора.
Для описания свойств транзистора по переменному току используется система
дифференциальных h-параметров, которая представляется следующими уравнениями:
2
22
1
21
2
2
12
1
11
1
dU
h
dI
h
dI
dU
h
dI
h
dU
Для нахождения h-параметров по статическим характеристикам дифференциалы заменим
конечными приращениями и получим выражения, позволяющие определить физический смысл
h-параметров
const
U
I
U
h
2
1
1
11
- входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;
const
I
U
U
h
1
2
1
12
- коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода
по ходу;
const
U
I
I
h
2
1
2
21
- коэффициент передачи по току в режиме короткого замыкания на выходе;
const
I
U
I
h
1
2
2
22
- выходная проводимость в режиме холостого хода по входу.
Зададим рабочую точку А:
).
(8
.3
);
(4
0
0
мА
I
В
U
K
KЭ
Для расчета h-параметров используем семейства входных и выходных характеристик БТ.
Для определения дифференциальных параметров
Э
h
11
и
Э
h
12
в заданной рабочей точке А
(
0
0
0
,
,
KЭ
Б
БЭ
U
I
U
) на линейном участке семейства входных характеристик выполним построения,
как показано на рис. 1.4,а.

---

Page 5

5
КЭ
U
КЭ
U
Б
I
0
Б
I
К
I
Б
I
IV
K
I
0
К
I
К
I
К
I
БЭ
U
КЭ
U
КЭ
U
0
БЭ
U
0
КЭ
U
a
БЭ
U
б
Рис. 1.4
Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:
.
10
25
3
5
7.
0
75
.0
)
(
25
.1
10
)
20
60
(
7.
0
75
.0
3
0
12
6
11
const
I
КЭ
КЭ
БЭ
БЭ
const
I
КЭ
БЭ
Э
const
U
Б
Б
БЭ
БЭ
const
U
Б
БЭ
Э
Б
Б
KЭ
KЭ
U
U
U
U
U
U
h
кОм
I
I
U
U
I
U
h
Параметры
Э
h
21
и
Э
h
22
определяем по семейству выходных характеристик. В окрестности
точки
)
,
,
(
0
0
0
Б
КЭ
К
I
U
I
A
, соответствующей точке А на семействе входных характеристик,
выполним построения как показано на рис. 1.4,б. Найденные приращения токов и напряжений
позволяют определить искомые параметры:
).
(
10
0.15
3
5
10
)6
.3
9.
3(
100
10
)
40
60
(
10
)2
6(
3
3
22
6
3
21
См
U
U
I
I
U
I
h
I
I
I
I
I
I
h
const
I
КЭ
КЭ
К
IV
К
const
I
КЭ
К
Э
const
U
Б
Б
К
К
const
U
Б
К
Э
Б
Б
БЭ
БЭ
Коэффициент обратной связи по напряжению
Э
h
12
имеет очень малую величину
)
10
...
10
(
3
4
, поэтому для его вычисления рассчитаем параметры Т-образной эквивалентной
схемы БТ.(рис. 1.5)

---

Page 6

6
Рис. 1.5
Значение параметров эквивалентной схему БТ находим с использованием известных h-
параметров.
Э
Э
Э
б
Э
Э
K
Э
Э
Э
r
h
h
r
h
h
r
h
h
r
)
1(
,
,
1
,
21
11
21
22
*
22
12
Для начала вычислим дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
0
Э
T
Э
I
r
, где
q
kT
T
- тепловой потенциал, равный 26 мВ при
K
T 300 ;
0
Э
I - ток
эмиттера БТ в рабочей точке (принимаем
0
0
K
Э
I
I
).
)
(
.8
6
10
8.
3
026
.0
026
.0
3
0
Ом
I
r
Э
Э
Определяем
*
K
r и
:
)
(
563
8.
6
)
100
1(
1250
)
1(
100
)
(
667
10
0.15
1
1
21
11
21
3
22
*
Ом
r
h
h
r
h
Ом
h
r
Э
Э
Э
б
Э
Э
K
Находим коэффициент обратной связи по напряжению
3
3
22
12
10
02
.1
10
15
.0
8.
6
Э
Э
Э
h
r
h
.
Область допустимых режимов на семействе выходных характеристик БТ, представленная
на рис. 1.6 определяется его максимально допустимыми параметрами:
)
(
30
max
мА
I
K
- постоянный ток коллектора;
)
(
20
max
В
U
KЭ
- постоянное напряжение коллектор-эмиттер;
)
(
225
max
мВт
P
K
- постоянная рассеиваемая мощность коллектора.
Рис. 1.6

---

Page 7

7
Задача № 4
Рассчитайте модуль
э
h
21
и фазу
э
h
21
коэффициента передачи по току БТ в схеме с ОЭ на
частоте f. В качестве исходных данных используйте заданные в таблице значения предельной
частоты коэффициента передачи по току в схеме с ОБ
б
h
f
21
, статический коэффициент передачи
по току в схеме с ОБ
и частоты f .
Исходные данные:
959
.0
);
(
40
);
(
14
21
кГц
f
МГц
f
б
h
Решение
На высоких частотах возникает фазовый сдвиг между входным и выходным токами БТ,
обусловленный конечным временем пролета носителей от эмиттера к коллектору и наличием
емкостей переходов БТ. Это приводит к комплексному характеру коэффициентов передачи по
току и их частотной зависимости
)
(
21
21
21
)
(
)
(
f
h
j
б
б
б
e
f
h
f
h

и
)
(
21
21
21
)
(
)
(
f
h
j
э
э
э
e
f
h
f
h

Частотные зависимости модуля и фазы коэффициентов передачи по току характеризуются
выражениями:
),
/
(
;
)
/
(
1
)
(
);
/
(
;
)
/
(
1
)
(
21
21
21
21
21
21
2
21
2
21
э
э
э
б
б
б
h
h
h
э
h
h
h
б
f
f
arctg
f
f
f
h
f
f
arctg
f
f
f
h
где
, - статические коэффициенты передачи по току БТ для включения с ОБ и ОЭ,
соответственно;
)
(
21
f
h
б
,
)
(
21
f
h
э
- предельные частоты коэффициентов передачи по току для
схемы с ОБ и ОЭ, соответственно.
Причем связь между этими частотами определяется выражением
).
1/(
21
21
б
э
h
h
f
f
Определим статический коэффициент передачи по току для включения с ОЭ:
23.39
959
.0
1
959
.0
1
Тогда предельная частота коэффициента передачи по току для включения с ОЭ
5
6
10
5.74
23.39
1
10
14
)
1(
21
21
б
э
h
h
f
f
Модуль коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ будет равен:
0.92
10
5.74
10
50
1
0.959
)
/
(
1
2
5
3
2
21
21э
h
э
f
f
h
Фаза коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:
4.978
10
5.74
10
50
/
5
3
21
21
arctg
f
f
arctg
э
э
h
h

---

Page 8

8
Задача № 5
Усилительный каскад выполнен на ПТ 2П302Б в схеме с ОИ (рис. 1.7).
Рабочая точка ПТ задается напряжением источника питания
)
(
10 В
U
ИП
и параметрами
приведенными в таблице.
1. Нарисуйте принципиальную схему усилителя.
2. На семействе статических ВАХ транзистора постройте нагрузочную прямую и
определите положение рабочей точки.
3. Для найденной рабочей точки определите сопротивление резистора в цепи истока
И
R
и малосигнальные параметры S,
i
R и .
4. Графоаналитическим методом определите параметры режима усиления
U
K и
вых
P при
амплитуде входного сигнала
).
(
25
.0
В
U
зиm
Исходные данные:
).
(6
.1
);
(
35
.0
0
В
U
кОм
R
ЗИ
C
Решение
Рис. 1.7
Усилительный каскад на ПТ, выполнен по схеме с общим истоком (ОИ). Напряжение
смещения задается автоматически за счет включения в цепь истока резистора
И
R
, падение
напряжения на котором определяет напряжение
.
И
C
И
З
ЗИ
R
I
U
U
U
Уравнение нагрузочной прямой описывается выражением:
ЗИ
С
C
СИ
И
С
C
СИ
ИП
U
R
I
U
R
R
I
U
U
)
(
, тогда
C
ЗИ
CИ
ИП
C
R
U
U
U
I
/)
(
Нагрузочная прямая на семействе выходных характеристик ПТ проводится через две
точки, лежащие на осях координат: точку
)
(
10 В
U
ИП
на оси напряжений и точку
C
ЗИ
ИП
C
R
U
U
I
)
(
на оси токов, как показано на рис. 1.8.
)
0.024(
10
35
.0
)6
.1
10
(
3
А
I
C
.

---

Page 9

9
C
ЗИ
ИП
R
U
U
)
(
ЗИ
U
C
I
t
Cm
I
O
0
C
I
ЗИ
U
ИП
U
0
CИ
U
CИm
U
t
Рис 1.8
Точка пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей заданному
значению
)
(6
.1
0
В
U
U
ЗИ
ЗИ
, дает положение рабочей точки “О”, которой соответствует ток
стока
)
(
10
0
мА
I
I
C
C
и напряжение
)
(5
0
В
U
U
СИ
СИ
.
Сопротивление резистора в цепи истока находим из формулы:
)
(
160
10
10
6.
1
/
3
Ом
I
U
R
C
ЗИ
И
.
Малосигнальные параметры S,
i
R и
определяются выражениями
..5
37
1875
02
.0
);
(
1875
10
)5
.7
5.
11
(
25
.1
75
.8
;
02
.0
1
2
10
)5
15
(
3
3
i
const
I
ЗИ
СИ
const
U
C
СИ
i
ЗИ
ЗИ
C
const
U
ЗИ
C
R
S
dU
dU
Ом
dI
dU
R
U
U
I
dU
dI
S
C
ЗИ
CИ
Коэффициент усиления по напряжению и выходная мощность находим из выражений:
)
(
19
10
)
10
20
(
)5
75
.8
(
5.
0
5.
0
;
15
25
.0
5
75
.8
3
мВт
I
U
P
U
U
K
cm
сиm
вых
зиm
сиm
u

---

Page 10

10
Задача № 6
Электронно-лучевая трубка с электростатическим отклонением луча имеет длину
отклоняющих пластин
1
L
, расстояние между пластинами d, расстояние от экрана до ближайшего
к нему края пластины
2
L
. Напряжение на втором аноде равно
2
a
U , а постоянное напряжение
между отклоняющими пластинами равно
откл
U
. Необходимо определить:
а) чувствительность ЭЛТ;
б) отклонение электронного луча на экране от оси трубки;
в) угол отклонения луча в точке выхода его из поля пластин.
Исходные данные:
).
(
12
);
(
240
);
(
30
);
(
40
);
(6
.2
2
1
2
мм
d
мм
L
мм
L
B
U
кB
U
откл
a
Решение
Конструкция электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с электростатическим отклонением луча,
показанная на рис. 1.9.
Y
откл
U
Экран
2
h
h
0
V
1
h
d
откл
E
1
L
откл
U
2
L
Рис 1.9
Полное отклонение пятна на экране определяется выражением:
)
(
10
4.904
10
240
2
10
30
10
12
10
6.
2
2
10
30
40
2
2
4
3
3
3
3
3
3
2
1
2
1
2
2
1
2
2
1
м
L
L
d
U
L
U
h
tg
L
L
d
U
U
h
h
h
a
откл
a
откл
Основным параметром электростатической отклоняющей системы является
чувствительность к отклонению, показывающая, на сколько миллиметров отклонится луч на
экране при изменении напряжения на 1 В.
)
(
10
1.226
40
10
4.904
4
3
м
U
h
h
откл
Угол отклонения луча в точке выхода его из поля пластин определяется выражением
1.102
10
12
10
6.
2
2
10
30
40
2
2
3
3
3
2
1
2
1
arctg
d
U
L
U
arctg
d
U
L
U
tg
a
откл
a
откл

---

Page 11

11
Задача № 7
Фотодиод включен последовательно с источником питания и резистором R. Обратный ток
насыщения затемненного фотодиода (темновой ток) равен
0
I .
Фототок диода в фотогальваническом режиме при коротком замыкании перехода
составляет
1
Ф
I
при потоке световой энергии
2
1
;
Ф
I
Ф
при потоке световой энергии при потоке
световой энергии
0
;
3
2
Ф
I
Ф
при потоке световой энергии
.0
3
Ф
Определите напряжение холостого хода
xx
U для
2
1
,Ф
Ф
и
3
Ф , а также значения
1
Ф
и
2
Ф
(лм), считая токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке равной
).
/
(
10
5.
1
2
лм
мкА
S
I
Рассчитать и построить семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых
потоков
2
1
,Ф
Ф
и
3
Ф в диапазоне напряжений U от
xx
U до -10 В (при расчетах считать, что
фототок не зависит от напряжения на запертом переходе; Т=300 К).
Исходные данные:
).
(
100
);
(
20
);
(
30
);
(7
2
1
0
мкА
I
мкА
I
кОм
R
мкА
I
Ф
Ф
Решение
Фотодиоды работает с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или
фотопреобразовательный режим) (рис. 1.9).
I
R
вн
U
VD
U
Рис 1.9
Ток, протекающий через фотодиод, можно представить в виде:
Ф
kT
qU
I
e
I
I
1
0
где
Ф
I
- фототок;
0
I - тепловой ток p-n-перехода; U – напряжение на диоде.
При разомкнутой внешней цепи
0
,I
R
H
легко выразить напряжение холостого хода
или фото-ЭДС:
);
(
0.035
7
20
1
ln
026
.0
1
ln
1
ln
0
1
1
0
В
I
I
q
kT
U
I
I
q
kT
U
Ф
xx
Ф
xx

---

Page 12

12
1
0.78
0.56
0.34
0.12
1.5 10
4
1.1 10
4
7 10
5
3 10
5
1 10
5
5 10
5
I1 U
( )
I2 U
( )
I3 U
( )
);
(
0.071
7
100
1
ln
026
.0
1
ln
0
2
В
I
I
q
kT
U
Ф
xx
).
(0
7
0
1
ln
026
.0
1
ln
0
3
В
I
I
q
kT
U
Ф
xx
Статическая интегральная токовая чувствительность при монохроматическом световом
потоке определяется отношением
)
/
(
/
лм
мкА
Ф
I
S
Ф
I
.По условию
).
/
(
10
5.
1
2
лм
мкА
S
I
Получаем
).
(0
10
5.
1
0
);
(
6667
10
5.
1
100
);
1333
10
5.
1
20
2
1
1
2
1
1
2
1
1
лм
S
I
Ф
лм
S
I
Ф
лм
S
I
Ф
I
Ф
I
Ф
I
Ф
Построим семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков
2
1
,Ф
Ф
и
3
Ф :
3
0
3
2
0
2
1
0
1
1
)
(
;
1
)
(
;
1
)
(
Ф
kT
qU
Ф
kT
qU
Ф
kT
qU
I
e
I
U
I
I
e
I
U
I
I
e
I
U
I
А
I,
В
U,