Иванов С.Р. - Ключевой режим работы транзистора

Московский Государственный Технический Университетимени Н.Э.БауманаC . Р . ИвановКЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРАМетодические указания к выполнению лабораторных работпо курсу « Электроника »Работа № 3. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРАЦель работы - исследовать статические режимы и переходныепроцессы в схеме простого транзисторного ключа. Продолжительностьработы - 3,5 часа.Теоретическая частьТранзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементовЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статическиесостояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки илинасыщения.

Во время переходных процессов при переключении из одногостатического 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 Е к  U кэнRкЕкRк;Uвых=Uкэ0.Основными параметрами переходных Рис.

12. Принципиальнаяпроцессов являются: при включении ТК tз - схема транзисторного ключавремя задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - времярассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.На рис. 13 представлены временные диаграммы, иллюстрирующиепереходные процессы в ТK. Время задержки tз   вх ln( 1 U б0Е б0),гдевх=RбСвх ; Uб0- начальное напряжение на Свх. Длительность фронтаопределяется по формулеРис.

13. Временные диаграммы работы транзисторного ключаДля удобства измерения фронта его часто определяют как времянарастания тока от уровня 0.1Iкн до уровня 0.9Jкн ; t ф   в lnформулах  в S I б1I бнI б1 В RкЕк12f вS  0 .1S  0 .9. В этих(fв- верхняя граничная частота каскада ОЭ), а- коэффициент насыщения. Ток базы, соответствующийгранице насыщения,I бн I кнВ.Время рассасывания заряда в базеt рас   u lnSI бн  I б 2I бн  I б 2, где u - времяжизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.Время рассасывания характеризуется интервалом времени от моментаподачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд вбазе уменьшается до граничного значения Qгр=Iбнu,при котором транзисторпереходит из насыщенного состояния в активный режим.

Если коллекторныйпереход запирается раньше эмиттерного (tк<tэ) то транзистор переходит внормальный активный режим, если наоборот (tэu < tкu ), то в инверсныйактивный режим. В последнем случае на графике Ik и Uк появляетсяхарактерный выброс (рис. 13, штриховые линии).Заканчивается переходный процесс при выключении транзисторасрезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можнооценить, считая, что процесс формирования заднего фронта заканчиваетсяпри Q0. Тогдаt c   в lnI б1 / S  I б 2Iб2.Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряженияпроисходит, когда транзистор находится в режима отсечки.

Поэтомудлительность среза определяется постоянной времени к=RкСк илик=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК(рис. 12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токибазы Iб1 и Iб2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарныетоки базы практически не меняются, это приводит к повышениюбыстродействия ТК.

Другим способом увеличения быстродействия ТКявляется введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временемвосстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой,предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектораотносительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.Описание макетаМакет, схема которого показана на рис. 14, позволяет исследоватьстатические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первом случаес помощью переключателя BI возможна подача в цепь базы низкого уровнянапряжения от источника G1 с сопротивлением в его -цепи R1.

Дляизмерения постоянных токов и напряжений в цепях ключа используетсяприбор, установленный на панели лабораторного стенда о пределамиизмерения тока J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.Рис. 14. Схема макета лабораторной работы и 3При исследовании переходных процессов на вход схемы подаютсяимпульсы отрицательной полярности амплитудой не более 15 В отгенератора прямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотренавозможность установки в коллекторной и базовой цепях транзистораразличных деталей (резисторов и конденсаторов) с целью исследованиявлияния их параметров на свойства исследуемого ключа. Так, возможнасмена резисторов в коллекторной цепи (переключатель В4),подключение ксхеме ускоряющего конденсатора С2 (переключательВ2), подключение квыходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ).

В схемеустановлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fa = I...3 мГц,Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт). Резисторы и конденсаторы имеютследующие номиналы:R1=75 кОм,R6=5,1 кОмR2=3 кОмR7=10 кОмR3=,130 Ом.R8=75 кОмR4=910 Ом,C1=10,0 мкфR5=30 кОмC2=1000 пФC3=470 пф.Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.Задание1.

Измерить статический коэффициент усиления по току транзистора,установленного в ключе.2. Исследовать статические состояния ТК при различных Rк.Определить величину сопротивления Rк, соответствующую границенасыщения.3. Исследовать характеристики ТК в динамическом режиме. Выявитьзависимости основных параметров переходных процессов tф,tрас,tc отамплитуда входного напряжения.

Построить соответствующие графики. Дляодного из значений входного напряжения рассчитать- tф,tрас,tc поприведенным формулам. Оценить расхождение расчетных величин иизмеренных.4. Исследовать влияние форсирующего конденсатора на основныепараметры переходных процессов.5. Определить, на какие параметры ТК оказывает влияние конденсаторнагрузочной цепи.6. Определить, при каких параметрах коммутируемых элементов схемыТК макета возникает инверсное запирание.Контрольные ВОПРОСЫ1. Каково назначение ключевой схемы?2.

Какими основными параметрами характеризуется ключ?3. Как зависят параметры переходных процессов от глубинынасыщения?4. Что такое инверсное запирание ТК?5. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?6. Как влияет емкость нагрузки на длительность переходныхпроцессов?7.

Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры ТК?8. Поясните процессы в ТК по временной диаграмме.ЛитератураГусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - U.: Высшая школа,1982. - 495 с.,ил.Вопросы по ключам.1 .Чтотакое глубина насыщения транзисторного ключа и на какие его свойства икак она оказывает влияние?Режим насыщения имеет место при прямом смещении обоих р-п переходов транзистора.При этом падение напряжения на переходах, как правило на превышает несколькихмилливольт. На коллекторных характеристиках транзистора область насыщенияхарактеризуется линией насыщения ОН (см. рисунок).

Каждой точке этой линиисоответствует некоторое значение напряжения Ukэ = Uk нас и тока Iк =' Iк нас. Ток Iк насназывается коллекторным током насыщения. Rнас = Uk нас / 1к нас . где Rmc сопротивление насыщенного транзистора. Каждой точке линии насыщения соответствуетнекоторое граничное значение тока базы Iб нас, при котором транзистор входит внасыщение. При насыщении нарушаются соотношения, характеризующие связь междутоком базы и коллектора в активном режиме. Критерием насыщения является нарушениеэтого соотношения 1б > 1б нас.

Для количественной оценки глубины насыщения вводятпараметр -степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительноепревышение базовым током того значения 1б нас, которое характерно для границынасыщения: N = (1б -1б нас)/1б нас Иногда оценку глубины насыщения производят спомощью коэффициента насыщения, который показывает, восколько раз ток, протекавший в цепи базы, больше базового тока, при котором транзисторвходит в насыщение. S ? 1б /1б нас При насыщении сопротивление транзистораминимально и практически не зависит от значений 16 и Rk.

Оно и является выходнымсопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии. Начиная со значений степенинасыщения N = 3 .. 5 и выше межэлектродные напряжения транзистора мало зависят оттока базы. Поэтому более высокую степень насыщения применять нецелесообразно.Весьма существенным достоинством режима насыщения является практическаянезависимость тока коллектора от температуры окружающей среды.2.Как уменьшить задержку включения ключа?Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие,которое оценивается скоростью протекания переходных процессов при переключении.Мгновенное переключение транзисторного ключа невозможно из-за инерционных свойствтранзисторов, а также паразитных реактивных элементов схемы и проводников.Следовательно для уменьшения задержки включения ключа необходимо использоватьтранзисторы с минимальной инерционностью и максимально уменьшить паразитныеемкости.

Кроме того задержка включения транзистора будет тем меньше, чем большеNmc.3.Каким образом можно предотвратить глубокое насыщение транзистора в ключе икакова цена достижения этого результата?Транзистор может переходить из области насыщения в область отсечки миную активнуюобласть. Это может происходить, если рассасывание избыточных носителей заряда,накопленных у эмиттерного и коллекторного переходов происходит одновременно.Следовательно, при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор,уменьшится длительность положительного фронта и транзистор попадет в областьглубокого насыщения. Это приводит к увеличению времени обратного переключения.Следовательно ток в момент включения необходимо увеличить, так как это приведет кболее быстрому рассасыванию заряда.