Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования, науки и культуры Кыргызской Республики
Кыргызский Государственный Технический Университет им. И.Раззакова
Методическое руководство
К лабораторной работе
«Исследование транзисторов в ключевом режиме» по курсам
«Аналоговые электронные устройства»,
«Электроника и микроэлектроника»,
«Промышленная электроника»,
«Информационно-измерительная техника и электроника».
Составители: Алиев И.К., Джылышбаев Н.А., Чепашева Т.С.
Исследование транзисторов в ключевом режиме и методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Схемотехника аналоговых электронных устройств, «Аналоговые электронные устройства» для студентов по направлениям Т.25 «Радиотехника и Т.04 «Телекоммуникации»./Кыргызский Государственный Технический Университет сост.: Алиев И.К., Джылышбаев Н.А., Чепашева Т.С., Бишкек 2002./
Излагается методика к выполнению лабораторной работы и краткие теоретические сведения по исследованию транзисторов в ключевом режиме.
Предназначено для студентов по направлениям Т.25 «Радиотехника», Т.04 «Телекоммуникации», Т.28 «Информатика и вычислительная техника» и Т.13 «Электротехника».
Ил. … Библогр: назв.
Рецензент к.т.н., доцент Асылбеков Н.С.
Цель работы
Исследование различных схем транзисторных ключей, изучение физических процессов и режимов их работы
Теоретические сведения
Электронные ключевые схемы(ключи) являются важнейшими элементами импульсных схем и логических элементов. Основное назначение электронных ключей(ЭК) состоит в коммутации (замыкании и размыкании) электрических цепей под воздействием управляющих сигналов. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «Включено» и «Отключено». На рис. 1, а), б), в) показаны принципиальная схема и временные диаграммы идеального ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях соответственно.
Рис. 1
Если ключ разомкнут , то i=0, а Uвых=E. Если же ключ замкнут, то i=E/R, Uвых=0
В реальных ЭК токи и уровни выходного напряжения зависят от типа и параметров применяемых диодов и транзисторов .
Совершенство и качество ЭК характеризуют три основных параметра:
-время переключения tпер – это время перехода из одного состояния в другое;
-ток через ключ в разомкнутом состоянии ip ;
-падение напряжения на ключе в замкнутом состоянии Uзамк .
Совершенство ключа будет тем выше , чем меньше tпер, ip, Uзамк . Так как ключ имеет два устойчивых состояния, то в разомкнутом состоянии электрические сопротивление ключа очень велико(стремится к ∞); при замкнутом состоянии ключа сопротивление его практически равно нулю. Быстродействие ключа характеризуется скоростью перехода ключа из одного устойчивого состояния в другое.
В качестве ЭК в настоящее время применяются кремниевые биполярные и полевые транзисторы и полупроводниковые диоды. Следует отметить , что основное достоинство ЭК на диодах – их простота – при интегральной технологии не дает практически никаких преимуществ. Это определяет их меньшее применение при изготовлении ИС. Ключи используются не только по прямому назначению , но и входят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.
В отличие от усилительных схем транзистор ключа работает в нелинейном режиме: с некоторых значений базового напряжения Uб ток его коллектора перестает изменятся вслед за Uб . Режим работы транзистора , при котором он находится в установившемся состоянии , либо в области отсечки , либо в области насыщения, называется ключевым.
Ключи на транзисторах являются управляемыми, т.е. их статические характеристики определяются не значением и полярностью коммутируемого напряжения, а значением управляющего сигнала.
В ключевом каскаде транзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером, так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно небольшую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свойства за счет значительного коэффициента передачи по напряжению(Ku>>1).
Рассмотрим стационарные и переходные режимы ключей на биполярных транзисторах.
Стационарные состояния ключа. Ключевой каскад(рис. 2) может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и в выключенном ( транзистор заперт).
Рис.2.
Режим насыщения возникает при положительном управляющем напряжении, если создаваемый им базовый ток Iб удовлетворяет условию
Iбβ ≥Iкн ,
Где
β – коэффициент усиления базового тока;
Iкн – ток насыщения коллектора
При насыщении транзистора
Iк = Iкн ≈ Eк/Rк ,
Uкэн = Eк – IкнRк ≈ 0
Режим отсечки (транзистор заперт) возникает при отрицательном управляющем напряжении, если оно обеспечивает запирание эмиттерного перехода(Uбэ ≤ 0).Так как в рассматриваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из нее обратный ток коллекторного перехода( Iко, образуется неосновными носителями заряда), то указанное условие можно записать в виде
-Uупр + Iко max Rб≤ 0 , где
Uупр –абсолютное значение отрицательного управляющего напряжения;
Iко max – значение обратного тока при максимальной рабочей температуре.
В режим отсечки
Iк = Iко ≈ 0
Uкэ = Eк – Iко Rк ≈ Eк
Рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора (рис.3)
Проведем на этих характеристиках нагрузочную прямую, соответствующую выбранному значению сопротивления Rк. Эта прямая отсечет на оси абсцисс напряжение Eк , а на оси ординат – ток равный Eк/Rк.. Точке А соответствует минимальный ток ключа. Рабочая точка А является точкой пересечения нагрузочной прямой с характеристикой , соответствующей току базы Iб = Iко и называется точкой отсечки. Она соответствует закрытому состоянию транзистора. Область отсечки на выходных характеристиках заштрихована и обозначена I. Точке В соответствует минимальное падение напряжения на ключе, в точке В транзистор открыт и насыщен. Область насыщения на выходных характеристиках заштрихована и обозначена II. Для перевода транзистора в режим насыщения подают импульс входного напряжения , амплитуда которого должна быть такой , чтобы транзистор был полностью открыт и через него протекал достаточный ток базы. В данном режиме напряжение на транзисторе(на выходе ключа) равно Uкэн, значение которого зависит от тока базы транзистора.
В соответствии с изложенным для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо в режиме насыщения(левее точки В), либо в режиме отсечки ( правее точки А). Нахождение между точками В и А допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки или наоборот.
Длительность нахождения транзистора в этой области для реального ЭК зависит от собственных частотных свойств транзистора
Переходные процессы в ключе
Так как транзистор является инерционным прибором , то переход ключа из одного стационарного состояние в другое происходит немгновенно даже при бесконечно крутых перепадах входного напряжения
Причинами переходных процессов являются:
► процессы, связанные с изменением пространственного заряда неосновных носителей в области базы;
► процессы, связанные с перезарядом барьерных емкостей.
Процесс замыкания транзисторного ключа можно разделить на три стадии: задержка, формирование положительного фронта выходного тока и накопление избыточного заряда в базе. Процесс замыкания ключа можно разделить на две стадии: рассасывание избыточного заряда и формирование отрицательного фронта.
Рассмотрим каждую из пяти стадий переходного процесса. Временные диаграммы переключения транзистора в схеме ключа управляемого от источника с напряжением Eг и внутренним сопротивлением Rг (рис.4, а) приведены на рис. 4,б.
Задержка фронта. Эта стадия переходного процесса обусловлена перезарядкой барьерных емкостей Cэ и Cк под действием входного сигнала. При достаточно малом сопротивлении Rк можно считать, что емкости Cэ и Cк соединены параллельно. И параллельное соединение представляет собой входную емкость Свх(Свх= Cэ + Cк). В исходном состоянии, когда ключ заперт, эта емкость заряжена до напряжения Eг2. Когда управляющее напряжение скачкообразно изменяет значение от Ег2 до Ег1, через сопротивление Rг и входную емкость Свх начинает протекать ток. Поскольку напряжение на ней стремится к значению Ег1 по закону
Когда напряжение на емкости Свх достигнет некоторого порогового напряжения Uсвх=Uпор > 0 (для кремниевых транзисторов Uпор = 0,6/0,8 В ), тогда эмиттерный переход сместится в прямом направлении , что приведет к появлению базового тока . Это произойдет в течение некоторого времени , которое определяется временем разряда емкости, а иными словами это и есть время задержки фронта tз:
Для германиевых транзисторов предыдущее выражение упрощается:
t3= 0,7
Итак , задержка фронта обусловлена наличием входной емкости Свх транзистора, которая заряжается через резистор Rг . Именно благодаря этому напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно входного напряжения .
В ряде случаев задержка сравнима с длительностями фронтов и даже превышает их.
Поскольку задержка проявляется в сдвиге переходной характеристики и не влияет на форму фронта, далее будем считать, что поступивший входной сигнал сразу отпирает транзистор.
Положительный фронт. При мгновенном возрастании базового тока до значения
Ток его коллектора изменяется по экспоненциальному закону
τ - постоянная времени транзистора в схеме с ОЭ при Rk = 0.
В полупроводниках транзистора τ обычно составляет 0,1… 2 мкс, но в ряде случаев может быть на порядок больше или меньше этой величины. Коллекторный ток стремительно нарастает от нуля к значению I6l β > вследствие возрастания на базе. Однако, достигнув величины
Ток Ik больше не может увеличиваться и формирование фронта заканчивается. В этот момент транзистор входит в режим насыщения.
Коллекторный ток увеличивается от 0 до значения Iкн за время tф + ( длительность положительного фронта):
Г
Формулы показывают, что длительность фронта tф + уменьшается с ростом отпирающего тока Iбl . При прочих равных условиях она меньше у транзистора с меньшей инерционностью ( постоянная времени τ ) и большим значением β (т.е. с большей степенью насыщения S). При сильном сигнале величина коэффициента β не играет роли.
Общая продолжительность включения транзистора :
tвкл=tв + tф +
Накопление носителей. Начиная с момента tф + все три внешних тока транзистора практически не меняются( режим насыщения). Однако заряд в базе продолжает нарастать, и этот процесс заканчивается лишь через время
t11
Рассасывание носителей. При подаче запирающего тока Iб2 ток Iк = Iкн остается постоянным до тех пор , пока заряд в базе не рассосется до граничного значения. Время рассасывания и связанная с ним задержка уменьшаются с увеличением запирающего сигнала и уменьшением степени насыщения.
Время рассасывания tp-специфичный и важный параметр ключевого режима транзистора.
Отрицательный фронт. Длительность отрицательного фронта tф – зависит от тех же факторов , что и длительность tф + и уменьшается с увеличением базового тока выключения .
В момент времени t4 (рис . 4, б) транзистор выходит из режима насыщения и коллекторный ток уменьшается до нуля.
Общая продолжительность выключения транзистора:
На рисунке 4, б интервалу t1 – t2 соответствует tф + ,интервалу t2-t3 соответствует tn , интервалу t3 - t4 – t11 и интервалу t4 – t5 соответствует tф-.
Следует отметить, что задержка выключения (время рассасывания tn), связанная с насыщением транзистора, является самой длительной стадией переходных процессов. Также необходимо иметь ввиду, что время выключения всегда больше времени включения :
tвыкл > tвкл
Поэтому в быстродействующих ключах транзистор удерживается от насыщения; такие ключи называются ненасыщенными.
Повысить быстродействие ключа можно различными способами. Рассмотрим некоторые из них.
Ключ с ускоряющим конденсатором
В таком каскаде( рис.5 ) удается уменьшить ток базы после того как транзистор вошел в режим насыщения. При этом уменьшается степень насыщения и, как следствие, время рассасывание заряда (задержка выключения) после окончания положительного входного импульса.
Ненасыщенный ключ с нелинейной ООС
Задержку выключения можно устранить полностью, если избежать насыщения транзистора. Для этого коллектор транзистора n-p-n – типа должен всегда иметь положительный потенциал относительно базы ( Uкб > 0) .
Однако при включении транзистора база получает положительный потенциал со стороны входа ключа, а положительный потенциал коллектора убывает по мере увеличения коллекторного тока , так что напряжение Uкб может стать отрицательным. Условие Uкб > 0 выполняется в каскаде ( рис.6), в котором ща счет диода VD реализована нелинейная отрицательная обратная связь(ООС). В отсутствие положительных управляющих импульсов транзистор VT и диод VD заперты – обратная связь отсутствует.
В настоящее время в качестве диодов, включаемых в цепь обратной связи, чаще ( особенно в интегральных схемах) используются диоды Шоттки , у которых отсутствует накопление, а значит, и рассасывание неосновных носителей в базе. Такие ключи обладают максимальным быстродействием. Более подробно об указанных типах транзисторных ключей можно узнать в литературе [2, 3].
Описание лабораторной установки
Установка позволяет исследовать ключевой режим транзистора MП16 / β = 100 / в схеме с общим эмиттером с общим коллектором. Все параметры легко меняются в широких пределах.
С помощью переменного резистора R1 подаётся ток базы, обеспечивая необходимый режим работы транзистора по постоянному току. Потенциометр R4 обеспечивает подачу необходимого напряжения смещения на переход база – эмиттер транзистора. Цепь , состоящая из резистора R3 и источника смещения Есм, обеспечивает в отсутствии запускающего импульса смещения управляющего перехода транзистора в обратном направлении и запирает транзистор.
Коллекторная нагрузка дискретно меняется переключателем. Конденсаторы С1 и С2 служат для ускорения переходного процесса при переключении транзисторного ключа. Резистор R3 используется в схеме с общим коллектором. Резистор R3 используется в схеме с общим коллектором. Резистор R2 и диод Д1 используется в схеме с нелинейной обратной связью, тогда выключатель S2 должен находиться в положении «вкл».
Переменный резистор R11 и конденсаторы С3 ÷С6 создают различные нагрузки на ключевой транзистор. Переключатель служит для подключения различных видов нагрузи. Небольшой резистор R5 позволяет с помощью осциллографа наблюдать форму импульсов базового тока.
При исследовании схемы транзисторного ключа используется генератор прямоугольных импульсов [Г3-54] с выносным делителем и вольтметром.
Порядок выполнения работы
По указанию преподавателя могут быть предложены два варианта:
а) пункты 1а, б, д, ж, 2е.
б) 1в, г, е, ж, 2а.
1. Исследовать работу транзисторного ключа в схеме с общим эмиттером:
а) при включенном ускоряющем конденсаторе снять и построить зависимости времени положительного и отрицательного фронтов от амплитуды входного импульса. На вход схемы подать отрицательный импульс с амплитудой от 0 до 10 В , длительностью 10μс и частотой следования 10 кГц. При снятии зависимости фронтов от амплитуды запускающего импульса нагрузка должна быть отключена; потенциометр R4 установить в среднее положение, резистор R1включить полностью, переключатель S4 –в первое положение;
б) для условий пункта «а» -здание: измерить длительности положительного и отрицательного фронтов для различных величин ёмкости ускоряющего конденсатора;
в) наблюдать влияние ускоряющего конденсатора С1 на форму базового тока, для чего включить осциллограф на клеммы резистора R5. При выполнении данного пункта выключатель S6 должен быть включен , с помощью переменного резистора R4 добиться величины базового тока меньше 0,1 от максимального значения;
г) при выключенном ускоряющем конденсаторе и отключенной нагрузке снять и построить зависимости длительности положительного фронта и времени рассасывания от величины сопротивления коллекторного резистора. Для этого резистор R1 должен быть полностью выведен, движок потенциометра R4 установить в среднем положении , амплитуда входного импульса 10 В. Время рассасывания измерять как разницу в длительностях выходного и входного импульса (плоской вершины);
д) исследовать влияние нелинейной обратной связи на длительность выходного импульса, для этого: S4 в 1-м положении переключателя, R1 –в выведенном состоянии, движок потенциометра, R4 –в среднем положении. При амплитуде входного сигнала 5 В и отключенной нагрузке измерить длительность выходного импульса при различных положениях S2.
Повторить измерения при включенном конденсаторе;
е) подав на вход схемы импульсы с амплитудой 10 В( резистор R1 полностью введён, ускоряющий конденсатор отсутствует, переключатель S2 в первом положении), снять и построить зависимости длительностей фронтов от величины напряжения смещения, для чего между движком потенциометра и корпусом схемы вольтметр Л4М2. Повторить измерение при включенном выключателе S2;
ж) исследовать работу транзисторного ключа при различных видах и величинах нагрузки. Подать на вход схемы импульса амплитудой 10 В, поставив переключатели S1 и S4 в 1-е положение выключатель S2 установить в первом положении и подать на транзистор максимальное напряжение смещения. Наблюдав изменение длительности отрицательного фронта при работе ключа в емкостную нагрузку (переключатели S6 и S7 в 1-е положение ). Измерить амплитуду импульса и длительности фронтов на нагрузку при различных положениях движка переменного резистора. При 4-м положении переключателя S7 изменением положения резистора добиться на выходе остроконечных импульсов. Сравнить амплитуды этих остроконечных импульсов.
2. Исследовать работу транзисторного ключа в схеме эмиттерного повторителя. Повторить измерения по пунктам «а», «б», «е», «ж», задания. При выведенном резисторе и отключенном выключателе наблюдать форму выходного импульса.
Содержание отчёта
Отчет по работе должен содержать схему установки, экспериментальные данные, осциллограммы в соответствии с заданием и выводы по работе. Экспериментальные данные занести в таблицу (прил.1)
Контрольные вопросы