Файл: Курсовой проект по дисциплине Электроника тема работы Проектирование аналогоцифрового преобразователя.doc

1.7. Выбор биполярного транзистора для ПУ

Для реализации ПУ выберем широко распространенный транзистор BC547A.
Электрические параметры

Таблица 5

Обратный ток коллектора	Не более 5 мкА при T = 150º C
Статический коэффициент передачи тока h21	110 - 220
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Iк = 10мА)	Не более 0,25 В
Напряжение насыщения база-эмиттер (Iк = 10мА)	Не более 0,7 В
Граничная частота коэффициента передачи тока	100 МГц
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер	50 В
Предельные температуры окружающей среды	-65…+1500С

Данный транзистор выбран, т.к. его параметры удовлетворяют заданным параметрам ПУ, сам прибор очень широко распространённый и дешевый.

1.8. Расчёт схемы преобразователя уровней в заданном температурном диапазоне и выбор номиналов резисторов.

Выбор номинала резистора R_к.

Напряжение питания преобразователя уровней выбрано равным напряжению питания логического элемента К561(КМОП): E = 10В ±5%.

<sub>Е min = 10В – 10В * 0.05 = 9.5В – минимальное напряжение при допуске 5%.

Е max = 10В + 10В * 0.05 = 10.5В – максимальное напряжение при допуске 5%.</sub>
Если Uвх = Uвых0ТТЛ = 0.4В, то транзистор находится в отсечке, т.к.
Uвх < Uбэ нас = 0.7В, и на выходе преобразователя уровней установится уровень логической единицы КМОП, близкий к напряжению E:

Uвых = Uвых1КМОП ≈ 10В.
Величина коллекторной нагрузки транзистора преобразователя уровней Rk выбирается по ряду критериев.

Первое ограничение:




и

---

– максимальные значения входного тока КМОП элемента и обратного тока коллектора при максимальной температуре .


Это очень большая величина, и она не имеет практического значения, т.к. реальные сопротивления нагрузки транзистора в ключевом режиме для обеспечения его режима насыщения в открытом состоянии и относительно малых времен нарастания и спада намного ниже.

Для того, чтобы обеспечить достаточно быстрое включение и выключение транзистора, т.е. минимальные времена задержки и длительности фронтов на выходе транзисторного ПУ, необходимо выбрать величину резистора такой, чтобы выполнялось условие:

Rк < tф/ (2.2 * Cн)

Где tф – длительность фронта сигнала на выходе ПУ, Cн – ёмкость, нагружающая ПУ (сумма входных ёмкостей ЛЭ и ёмкости монтажа).

Rк < 50нс / (2.2 * (50пф + 15пф)) = 350 Ом
Выбираем ближайший типовой номинал ряда Е24 в сторону уменьшения: 330 Ом. При таком значении коллекторной нагрузки, ток коллектора транзистора при лог. 0 на выходе ПУ составит
Iк = (E- Uкэ нас)/Rк = (10В – 0.25В)/330 ом ≈ 29.5 мА
А мощность, рассеиваемая на резисторе составит
P = (E- Uкэ нас)* Iк = (10В – 0.25В)*0.0295А ≈ 0.28 Вт
Выбираем стандартный тип резисторов MF0207 производства Vishay мощностью рассеяния 0.6 Вт (в габарите отечественных резисторов МЛТ-0.25)
Выбор номинала резистора .

Если Uвх = Uлог.1ттлш = 2.4В, то биполярный транзистор VT должен войти в режим насыщения. Ток коллектора (из предыдущего расчета) при открытом транзисторе в режиме насыщения составляет 29.5мА. Соответственно, ток базы должен быть не менее
Iб >= Iк/h21эмин = 29.5мА/110 ≈ 0.27мА
В то же время этот ток должен быть меньше максимального тока выхода ЛЭ ТТЛШ в состоянии лог.1 (данное условие выполняется, 0.27 <0.4) и в этом случае, резистор Rб рассчитывается по формуле:

---

Rб = (Uлог.1ттлш – Uбэ нас)/Iб = (2.4В – 0.7В)/0.27мА ≈ 6.3кОм
Для обеспечения гарантированного режима насыщения транзистора выберем резистор, позволяющий получить коэффициент насыщения транзистора S = Iб/Iбнас больше 1 (в пределах 1.2…2). Приняв S = 1.3, соответствующий ток базы составит 0.35мА (что меньше максимально допустимого выходного тока лог. 1 ТТЛШ элемента), получим величину Rб около 4.8кОм, соответственно применяем резистор номиналом 4.7кОм (стандартный номинал ряда Е24). Мощность рассеяния на Rб составит
Pб = (Uлог.1ттлш – Uбэ нас)*Iб ≈ 0.6 мВт
Тип резистора можно выбрать аналогичным резистору коллекторной нагрузки, т.е. MF0207.

---

1.9. Расчёт мощности, потребляемой преобразователем уровней от источника питания

Максимальный ток от источника питания преобразователь уровня потребляет, когда на его выходе имеется состояние лог.0, то есть транзистор ПУ открыт.

Через резистор Rк протекает ток Iк, равный сумме входных токов КМОП элементов, подключенных к ПУ и тока открытого транзистора. С учетом того, что входные токи КМОП элементов очень малы (на несколько порядков меньше расчетного тока коллектора транзистора ПУ согласно заданным условиям быстродействия), то ими можно смело пренебречь, как и током утечки коллекторного перехода, также меньшим в тысячи раз, чем рабочий ток насыщения даже при максимальной рабочей температуре.

Поэтому максимальный потребляемый ток будет практически равен току открытого транзистора и составит 29.5мА, т.е. максимальная статическая мощность, потребляемая от цепи питания напряжения 10В (КМОП) каждым из ПУ составит 295мВт., из которых 280мВт – это мощность рассеяния на Rк и 15 мВт – на транзисторе.

В базовой цепи транзистора протекает ток 0.35мА, что при напряжении насыщения база-эмиттер 0.7В даст мощность порядка 0.25мВт, рассеиваемую транзистором в дополнение к расчетным 15 мВт, что существенно меньше допустимой рассеиваемой мощности коллектора транзистора BC547.

В закрытом состоянии (лог. 1 на выходе ПУ) рассеиваемая мощность как резистором Rк, так и транзистором существенно снижаются. В этом состоянии транзистор (при максимальной рабочей температуре, при которой максимален Iк0) рассеивает мощность

Pт = Iк0 * (E - Iк0* Rк) = 5мкА*(10В – 330Ом* 5мкА) ≈ 50мкВт

что существенно меньше допустимой рассеиваемой мощности коллектора транзистора BC547.

1.10. Расчёт передаточной характеристики преобразователя уровней для номинальных параметров

Передаточная функция (передаточная характеристика) — один из способов математического описания динамической системы. Используется в основном в теории управления, связи и цифровой обработке сигналов. Представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.

---

Используя расчётные данные, справочные данные микросхем вычислим необходимые для построения характеристики величины:

Опуская особенности точного расчета участков передаточной функции, где транзистор ПУ работает в активном режиме (для нашего случая это не имеет значения, т.к. длительность его пребывания в таких условиях крайне мала и определяется в основном лишь длительностью фронтов входных сигналов ПУ, т.е. единицами наносекунд) можно с достаточной степенью точности записать для участка переключения элемента ПУ:



Учитывая, что входные токи КМОП элементов пренебрежимо малы по сравнению с расчетными рабочими токами транзистора ПУ, можно упростить формулу



Передаточная функция ПУ имеет 3 характерных участка:
1 участок: входное напряжение от 0В до порогового напряжения перехода база-эмиттер транзистора ПУ (для кремниевых транзисторов примерно 0.6В) – транзистор закрыт, ток коллектора практически равен Iк0 (не более 5 мкА при максимальной рабочей температуре), соответственно, напряжение на коллекторе равно:

Uвых = E – Rк*Iк0 = 10В – 330Ом*5мкА ≈ 10В
2 участок: переключение транзистора ПУ

Рассчитаем характерные точки данного участка:

Начало отпирания транзистора:

Uвх = 0.6В; Uвых = 9.85В

Uвх = 0.7В; Uвых = 9.3В

Uвх = 0.8В; Uвых = 8.4В

Экспоненциальный рост тока базы:

Uвх = 1В; Uвых = 7В

Uвх = 1,6В; Uвых = 3.1 В

Режим насыщения транзистора ПУ:

Uвх = 2В; Uвых = 0,42 В
3 участок: насыщение транзистора. При входных напряжениях более 2.2В транзистор находится в глубоком насыщении и приведенная формула не работает. Напряжение на выходе ПУ устанавливается равным напряжению насыщения коллектор-эмиттер.


Рис. 12 – Передаточная характеристика ПУ по вычисленным значениям

---