Методические указания по выполнению лаборыторной работы №3 по дисциплине Электроника и микроэлектроника (Методические указания по выполнению лаборыторной работы №3 по дисциплине "Электроника и микроэлектроника ")

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. БАУМАНАМетодические указанияпо выполнению лабораторных работпо курсу«Электроника и микроэлектроника»МГТУ имени Н.Э. БауманаМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТимени Н.Э. БАУМАНАМетодические указанияпо выполнению лабораторных работпо курсу«Электроника и микроэлектроника»МоскваМГТУ имени Н.Э. Баумана2012УДК 681.3.06(075.8)ББК 32.973-018И201Методические указания по выполнению лабораторных работ по единомукомплексному заданию по блоку дисциплины «Электроника имикроэлектроника» / Коллектив авторов –М.: МГТУ им. Н.Э.

Баумана, 2012. – 19 с.: ил.В методических указаниях рассмотрены основные этапы, их последовательность и содержаниепо выполнению лабораторных работ по единому комплексному заданию по блоку дисциплин«Электроника и микроэлектроника».Ил. 39. Табл. 5. Библиогр. 7 назв.УДК 681.3.06(075.8)© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012АННОТАЦИЯВ данной лабораторной работе представлены к проработки следующие темы:зависимость быстродействия различных участков электрической принципиальной цепи с,включающей в себя электрический ключ, реализованный на транзисторе, от наличия илиотсутствии емкостной нагрузки.ANNOTATIONThis paper presents a laboratory to study the following topics: the dependence of the electricalperformance of various sections of the principal chain, which includes an electrical switch that isimplemented on the transistor, the presence or absence of a capacitive load.СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ………………………………………….………………………………...……….……..…..……..61 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ СОСТОЯНИЯХ...71.1 Изучение статического режима работы транзистора...…..…………...…………………….……71.2 Изучение динамического режима работы транзистора…..…………………………………..…141.3 Изучение динамического режимов работы транзистора с емкостной нагрузкой ...…………..16ВЫВОДЫ…………………………….…………………………………………………………….….………..18СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКО….….…………………………………………...................19ВВЕДЕНИЕЦель работы - исследовать статические режимы и переходные процессы в схемепростого транзисторного ключа.

Продолжительность работы - 3,5 часа.Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ. Дняотображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в которыхтранзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время переходных процессов припереключении из одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном иинверсном активных режимах.Основными параметрами статических состояний ТК являютсянапряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК(рис. 12) характеризуется низким уровнем напряженияUвых=-Ек+IкоRк≈≈-Ек. В режиме насыщения через ТК протекает токI кн =Ек − U кэн Ек≈; Uвых=Uкэ≈0.RкRк(1)Рисунок - 1 Принципиальная схема транзисторного ключаОсновными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК tз- время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - времярассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.На рис.

13 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессыв ТK. Время задержки tз ≈ τ вх ln(1 +U б0) , где τвх=RбСвх ; Uб0- начальное напряжение наЕб0Рисунок - 2 Временные диаграммы работы транзисторного ключаДля удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока отуровня 0.1Iкн до уровня 0.9Jкн ; t ф = τ в lnграничная частота каскада ОЭ), аS=S − 0.11. В этих формулах τ в =(fв- верхняяS − 0. 92πf вI б1 I б1 ВRк- коэффициент насыщения.

Ток базы,=I бнЕксоответствующий границе насыщения, I бн =I кн.ВВремя рассасывания заряда в базе t рас = τ u lnSI бн + I б 2, где τu - время жизни неосновныхI бн + I б 2носителей в базе в режиме насыщения.Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачизапирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд в базе уменьшается дограничного значения Qгр=Iбнτu,при котором транзистор переходит из насыщенного состояния вактивный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (tк<tэ) тотранзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (tэu < tкu ), то в инверсныйактивный режим. В последнем случае на графике Ik и Uк появляется характерный выброс (рис.13, штриховые линии).Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом выходногонапряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить, считая, что процессформирования заднего фронта заканчивается при Q≈0. Тогда tc = τ в lnI б1 / S + I б 2.Iб 2Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит,когда транзистор находится в режима отсечки.

Поэтому длительность среза определяетсяпостоянной времени τк=RкСк или τк=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. КонденсаторС в схеме ТК (рис. 12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Iб1и Iб2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически неменяются, это приводит к повышению быстродействия ТК.

Другим способом увеличениябыстродействия ТК является введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временемвосстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой, предотвращаетглубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектора относительно потенциала базы. ТакиеТК называют ненасыщенными.1 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМСОСТОЯНИЯХ1.1 Изучение статического режима работы транзистора1) Статический режим работы транзистора:Рисунок - 3 Схема электрическая принципиальнаяВременные диаграммы работы транзисторного ключаТалица 1 – Параметры электронных радио элементовU КЭ ,мВI Б , мкАI К , мкА125,15,537 ⋅ 10 3 9,28 ⋅ 10 3125,15,532 ⋅ 10 3 4,966 ⋅ 10 3125,32,733 ⋅ 10 3 160,8125,41,932 ⋅ 10 3 145,7125,6987,6123,6126,1132,380,17При Rн=3,6 кОм, транзистор попадает на границу насыщения.Rн, Ом1309103,6к5,1к10к75к2) Динамический режим работы транзистора:Рисунок - 4 Принципиальная схема транзисторного ключа с дополнительными элементамиОсциллограммы:Rн=130 ОмUвхIБUКЭIкRн=910ОмUвхUКЭРисунок - 5 Осциллограммы виртуальных измерительных приборовНа рис.5 получились осциллограммы, снятые с виртуальных вольтметров, которые быливключены в схемуIБIкRн=3,6 кОмUвхIБUКЭIкРисунок - 6 Осциллограммы виртуальных амперметровНа рис.6 получились осциллограммы, снятые с виртуальных вольтметров, которые быливключены в схемуRн=5,1 кОмUвхIБUКЭIкRн=10 кОмUвхUКЭРисунок - 7 Осциллограммы виртуальных амперметров с определенными параметрами элементов цепиНа рис.7 получились осциллограммы, снятые с виртуальных вольтметров, которые быливключены в схемуIБIкRн=75 кОмUвхUКЭIБIкРисунок - 8 Осциллограммы виртуальных амперметров с измененными параметрами элементов цепиТаблица 1 – Сравнительные параметры цепи при изменении параметров элементовRн130 Ом910 Ом3,6 кОм5,1 кОм10 кОм75 кОмtф, мкс1,650,20,110,100,080,07tрасс, мкс0,0050,010,0150,0240,0240,051tсп, мкс2,151,611,230,990,412,29На основе получившихся результатов можно сделать вывод, что введение дополнительнойемкости уменьшает время переходного процесса ключа.1.2 Изучение динамического режима работы транзистора3) Динамический режим работы с форсирующим конденсаторомРисунок - 9 Принципиальная схема транзисторного ключа с дополнительными элементами и свиртуальным тактирующим датчикомВведение в электрическую принципиальную цепь тактирующего элемента обеспечит лучшийанализ работы цепи.Rн=3.6 кОмUвхUКЭIБIкРисунок - 10 Осциллограммы виртуальных амперметров с тактирующим элементомТаблица 2 – Сравнительные параметры цепи при введении новых элементовRнtф, мксtрасс, мксtсп, мкс3,6 кОм0,040,00850,133,6 кОм без Сф0,110,0151,23На основе получившихся результатов, можно сделать частный вывод, о том, что вдинамическом режиме транзистор работает лучше.1.3 Изучение динамического режимов работы транзистора с емкостной нагрузкойДинамический режим работы с ёмкостной нагрузкойРисунок - 11 Принципиальная схема транзисторного ключа с дополнительной емкостной нагрузкойВведение в электрическую принципиальную цепь тактирующего элемента обеспечит лучшийанализ работы цепи.Rн=3.6 кОм, С=470 пФUвхIБUКЭIкРисунок - 12 Осциллограммы виртуальных амперметров с дополнительной емкостной нагрузкойТаблица 3 – Сравнительные параметры цепи при введении емкостной нагрузки3,6 кОм3,6 кОм без СнRнtф, мкс0,710,11tрасс, мкс0,020,015tсп, мкс8,441,23На основе получившихся результатов можно сделать вывод, что дополнительная емкость вцепи заставляет цепь медленней работать.ВЫВОДЫПодключение форсирующего конденсатора увеличивает время быстродействия ключа.

Изза ёмкостной нагрузки быстродействие ключа значительно снижается. Система в целомработает медленней.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Основы теории цепей: Учебник для вузов/ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил,С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб.

– М.: Энергоатомиздат, 2007. – 528 с.2. Теоретические основы электротехники. В 3-х ч. – Ч. I. Атабеков Г.И. Линейныеэлектрические цепи: Учебник для вузов. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Энергия, 2008. –592 с.3. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х т.: Учебникдля вузов. Том 1. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоиздат, 2007. – 536 с..