Отчет 3 - Ключевой режим работы транзистора (Лабораторная работа №3)

Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

Отчёт к лабораторной работе №3

по курсу Микроэлектроника и Схемотехника

" Ключевой режим работы транзистора"

Работу выполнил студент группы ИУ-5-41

___________________ Осипов А.В.

Москва

2010

Цель работы

Исследовать статические режимы и переходные процессы в схеме простого транзисторного ключа.

Теоретическая часть

Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время переходных процессов при переключении из одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах.

Рис. 1. Принципиальная схема транзисторного ключа

О
сновными параметрами статических состояний ТК являются напряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 1) характеризуется низким уровнем напряжения U_вых=-Ек+IкоRк-Ек. В режиме насыщения через ТК протекает ток U_вых=U_кэ0.

Основными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК tз - время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - время рассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.

На рис. 2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессы в ТK. Время задержки , где _вх=R_бС_вх ; U_б0- начальное напряжение на Свх. Длительность фронта определяется по формуле

Рис. 2. Временные диаграммы работы транзисторного ключа

Для удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока от уровня 0.1I_кн до уровня 0.9J_кн ; . В этих формулах (f_в- верхняя граничная частота каскада ОЭ), а - коэффициент насыщения. Ток базы, соответствующий границе насыщения,

Время рассасывания заряда в базе , где _u - время жизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.

Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачи запирающего входного напряжения +Е_б2 до момента, когда заряд в базе уменьшается до граничного значения Q_гр=I_бн_u,при котором транзистор переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (t_к<t_э) то транзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (t_э^u < t_к^u ), то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике I_k и U_к появляется характерный выброс (рис. 2, штриховые линии).

Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить, считая, что процесс формирования заднего фронта заканчивается при Q0. Тогда .

Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит, когда транзистор находится в режима отсечки. Поэтому длительность среза определяется постоянной времени _к=R_кС_к или _к=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК (рис. 12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы I_б1 и I_б2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другим способом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектора относительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.

Описание макета

Макет, схема которого показана на рис. 3, позволяет исследовать статические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первом случае с помощью переключателя BI возможна подача в цепь базы низкого уровня напряжения от источника G1 с сопротивлением в его -цепи R1. Для измерения постоянных токов и напряжений в цепях ключа используется прибор, установленный на панели лабораторного стенда о пределами измерения тока J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.

Рис. 3. Схема макета

При исследовании переходных процессов на вход схемы подаются импульсы отрицательной полярности амплитудой не более 15 В от генератора прямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотрена возможность установки в коллекторной и базовой цепях транзистора различных деталей (резисторов и конденсаторов) с целью исследования влияния их параметров на свойства исследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи (переключатель В4),подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2 (переключательВ2), подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ). В схеме установлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fa = I...3 мГц, Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:

R1=75 кОм	R6=5,1 кОм	R4=910 Ом	C1=10,0 мкФ
R2=3 кОм	R7=10 кОм	R5=30 кОм	C2=1000 пФ
R3=130 Ом	R8=75 кОм		C3=470 пФ

Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.

Практическая часть

Промоделируем схему и найдем сопротивление коллектора, при котором транзистор переходит в режим насыщения:

Rк, Ом	Iб, μA	Iк, мА	Uкэ, В	Ki=Iк/Iб	IKнас=Ek/Rk, мА	IБнас=IKнас/K, мА
130	108.7	5.4	9.3	49.7	77	1.5	0.07
510	108.7	5.4	7.2	49.7	20	0.4	0.27
1000	108.7	5.4	4.5	49.7	10	0.2	0.54
2000	108.8	4.9	0.22	45	5	0.11	0.99
5100	109.9	1.9	0.15	17.3	2	0.11	0.99
10000	110.6	0.99	0.12	9	1	0.11	0.99

Сопротивление 2000 Ом является нижней границей насыщения.

Промоделируем схему ключа и рассмотрим, как меняется время фронта, спада и рассасывания при различных входных напряжениях:

U, В	tфр, μсек	tрас, μсек	tсп, μсек
1	1.05	0.98	1.5
2	0.4	1.7	1.3
3	0.27	1.9	0.81
4	0.22	2.3	0.8
5	0.18	2.5	0.77

Пример осциллограмм:

1. Для времени фронта:

1. Для времени рассасывания:

1. Для времени спада:

6