ПТ-КЛ (1075511)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Работа полевого транзистора в ключевом режиме.

Одна из ключевых схем на полевом транзисторе с управляющим p – n переходом, где транзистор включен по схеме с общим истоком, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема «ключа» на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом.

В данной схеме нагрузкой ключа является емкостная нагрузка, которая представлена конденсатором Сн. Напряжение на конденсаторе Cн в статическом режиме определяется режимом работы транзистора. До поступления на вход схемы управляющего импульсного напряжения напряжение между затвором и истоком равно Uзо=0, так как из-за отсутствия тока затвора падение напряжения на резисторе Rз равно нулю. Через транзистор протекает некоторой величины ток стока Iсо и, соответственно, между стоком и истоком возникает определенной величины падение напряжения Uco. Напряжения на затворе Uзо, на стоке Uco и ток стока Ico определяют координаты, так называемой, точки покоя схемы.

Для определения в схеме тока Ico и напряжения Uco необходимо два уравнения. Одним из уравнений является уравнение Кирхгофа, которое для выходной цепи записывается в виде:

Uc=Eп-Iс*Rс. (1)

Данное уравнение в системе координат Ic – Uc представляется прямой, получившее название нагрузочной прямой. Ее расположение не зависит от свойств транзистора и определяется исключительно параметрами схемы: напряжением питания Еп и сопротивление резистора Rс. Для построения нагрузочной прямой в системе координат Ic – Uc достаточно знать координаты двух ее точек. Например, в качестве из одной точек можно взять точку с током стока Ic1=0, для которой согласно (1) напряжение на стоке равно Uc1=Eп. Второй точкой может служить точка с напряжением Uc2=0, для которой согласно (1) ток стока равен Ic2=Eп/Rc.

Вторым уравнением для определения Ico и Uco служит выходная характеристика транзистора при напряжении на затворе Uзи=0 B:

Id=f(Uc) при Uзи=0 (2)

Для решения системы уравнений (1) – (2) каждое из них представляют в системе координат Ic – Uc, первое из которых представляет прямую, а второе – нелинейную функцию. Общая точка двух функций определяет ток стока Iсо и напряжение на стоке Ucо в статическом режиме. Принципиально координаты этой точки могут располагаться либо в области пологого изменения тока стока выходной характеристики транзистора, либо в области крутого изменения тока стока. Ее место расположения определяется параметрами схемы: сопротивлением в стоковой цепи Rс и напряжением питания Еп. Данный графический способ решения нелинейной системы уравнений (1) – (2) для определения тока стока Ico и напряжения на стоке Uco в режиме покоя (отсутствия входного управляющего напряжения) показан на рис.2 для двух сопротивлений резистора в стоковой цепи (Rc2 > Rc1).

Рис. 2. Выходная характеристика полевого транзистора и нагрузочные прямые для двух сопротивлений резистора Rc (Rc2>Rc1).

В рассматриваемой ключевой схеме в качестве выходного напряжения Vвых используется напряжение на стоке Uc. Если принять, что в исходном состоянии схема находится в стационарном режиме (токи заряда – разряда конденсатора Сн отсутствуют), то выходное напряжение будет равно Uco. Как показано выше, его величина будет определяться при выбранном транзисторе напряжением питания Еп и сопротивлением резистора Rc. Чем больше сопротивление резистора Rc, тем меньше величина выходного напряжения Vвых, и электронный ключ на полевом транзисторе ближе к идеалу. Такое исходное состояние ключевой схемы соответствует замкнутому ключу, когда в идеальном случаи напряжение на нем должно быть равно нулю.

При подаче на вход схемы отрицательного импульсного напряжения с амплитудой Um.вх. больше напряжения отсечки Uотс., полевой транзистор запирается и ток стока становится равным нулю. При таком управляющем напряжении напряжение на выходе Vвых в стационарном режиме согласно уравнению (1) должно стать равным напряжению питания Еп. Такое состояние ключевой схемы соответствует разомкнутому ключу.

Если принять, что управляющее напряжение на затворе изменяется скачкообразно (импульсный генератор напряжения идеальный с внутренним сопротивлением равным нулю), то длительность переходного процесса по изменению выходного напряжения будет определяться временен перезаряда нагрузочного конденсатора Сн от напряжения Uco до Еп. Для определения переходного процесса представим ключевую схему в разомкнутом состоянии в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.

Р
ис. 3. Эквивалентная схема для определения переходного процесса на переднем фронте управляющего напряжения.

На основании закон Кирхгофа для выходной цепи можно записать:

Еп = U_Rc(t)+ U_Cн(t) = R_C * I_Cн(t) + U_Cн(t) (3)

где ток I_Cн(t) в выходной цепи связан с напряжением U_Cн(t) на конденсаторе законом Ома в дифференциальной форме:

I_Cн(t)=C_н*dU_Cн(t)/dt (4)

Подставляя (4) в (3) и проведя элементарные преобразования, получим:

dU_Cн(t)/dt + U_Cн(t)/ = Еп/ , (5)

где  = R_C * C_н - постоянная времени выходной цепи. Решением данного уравнения с учетом начального условия U_Cн(0) = Uco является

U_Cн(t) = Еп – (Еп – Uco) * exp(- t/), (6)

где за начало времени отсчета t=0 принято время поступления на вход схемы управляющего импульсного напряжения. Из (6) следует, что амплитуда выходного напряжения равна

Um.вых.= Еп – Uco, (7)

а передний фронт изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени . За длительность tн переднего фронта принимают время, за которое выходное напряжение изменяется от первоначального уровня Uco до уровня Uco+0.9*Um.вых. Подставив данное условие в (6) и учитывая (7), получим

Uco + 0.9*(Еп – Uco)= Еп – (Еп – Uco) * exp(- tн/) (8)

Проделав несложные преобразования, находим время переднего фронта tп выходного напряжения

t_п =  * ln 10= 2.3 * R_C * C_н . (9а)

На практике достаточно часто время переднего фронта оценивают как время, в течение которого выходное импульсное напряжение изменяется от уровня Uco + 0.1 Um.вых до уровня Uco + 0.9 Um.вых. Несложно показать, что при таких условиях время переднего фронта равно

t_п = 2.2 * R_C * C_н . (9б)

Отсюда следует, что время переднего фронта выходного импульсного напряжения ключевой схемы на полевом транзисторе определяется емкостью нагрузки и сопротивлением резистора в стоковой цепи. Как было показано выше, увеличение сопротивления Rc в ключевой схеме приводит к уменьшению напряжения Uco, т.е. согласно (7) к возрастанию амплитуды выходного напряжения, но одновременно при этом и возрастает длительность переднего фронта.

По окончанию входного импульсного напряжения напряжение Uз на затворе полевого транзистора становится снова равным нулю и через транзистор начинает протекать ток стока. Если длительность tимп. управляющего импульса достаточно велика (tимп.>3*), то к этому моменту времени конденсатор нагрузки Сн успевает зарядиться до напряжения питания Еп. Поскольку в первоначальный момент времени по окончанию входного импульса напряжение между стоком и истоком равно Еп (сток – исток зашунтирован конденсатором Сн), то возникающий ток стока Ic Ic.нач. Точная его величина определяется из координаты точки пересечения выходной характеристики транзистор Ic=f(Ucи) с вертикальной линией, исходящей Uси=Еп (см. рис.2).

Для проведения аналитического анализа переходных процессов на заднем фронте аппроксимируем выходную характеристику транзистора в виде кусочно-ломанной линией, как показано на рис. 4.

Р
ис. 4. Аппроксимированная выходная характеристика полевого транзистора и нагрузочные прямые для двух сопротивлений резистора в стоковой цепи (Rc2>Rc1).

В области крутого изменения тока стока Ic (Uc<Uc.нас) транзистор заменен резистором r_c, сопротивление которого равно

r_c =Uc.нас./Ic.нач, (10)

а в области полого изменения тока – идеальным генератором тока величиной Ic.нач. Тогда на первом этапе анализа переходного процесса, происходящего на заднем фронте управляющего импульса, выходную цепь ключевой схемы заменим эквивалентной схемой, представленной на рис. 5.

Рис. 5. Эквивалентная схема выходной цепи ключевой схемы для анализа переходных процессов на заднем фронте импульса.

В данной схеме согласно закона Кирхгофа для узла А можно записать

I_C.нач = I_Rc + I_Cн (11)

где I_Rc – ток через резистор Rc, определяемый как

I_Rc = (Еп – U_Cн(t)) / R_C , (12)

и I_Cн – ток разряда конденсатора Сн, определяемый как

I_Cн = - C_н*d U_Cн(t)/dt (13)

Подставляя (12) и (13) в (11) и проделав несложные преобразования, получаем дифференциальное уравнение, описывающее переходной процесс на заднем фронте импульса

dU_Cн(t)/dt + U_Cн(t)/ = (Еп – I_C.нач* Rc)/ (14)

Если в данном случаи принять за начало отсчета времени (t=0) время заднего фронта управляющего импульса и учесть начальное напряжение на конденсаторе U_Cн(0)=0, то стандартным способом можно найти решение уравнения (14), которое имеет вид

U_Cн(t) = R_C*I_C.нач*exp(-t/) + (Еп - R_C* I_C.нач ) (15)

Данное решение полностью описывает переходной процесс на заднем фронте только при условии, что с выходом на стационарный режим напряжение на стоке Uco U_c.нас. Это соответствует тому, что когда транзистор открывается, то он работает только в области полого изменения тока стока. Данное условие можно записать в виде

Еп - R_C* I_C.нач  U_c.нас (16)

Откуда следует, что при выбранном транзисторе (U_c.нас, I_C.нач) и напряжении питания Е_п сопротивление резистора в стоковой цепи обязано быть меньше некоторой величины

R_C (Еп – U_c.нас)/ I_C.нач (17)

На рис. 4 это условие выполняется для резистора Rc1.

При оценки времени заднего фронта t_з принимают время, в течение которого выходное напряжение уменьшается от первоначального уровня на 90% относительно своей амплитуды U_m.вых. Для резистора в стоковой цепи, когда транзистор в течение всего переходного процесса работает только в области пологого изменения стокового тока, напряжение на стоке Uco в стационарном режиме будет равно (Еп - R_C* I_C.нач). Поэтому амплитуда выходного напряжения с учетом (7) равна

U_m.вых= R_C* I_C.нач (18)

Тогда используя определение длительности заднего фронта, согласно (14) можно записать

U_Cн( t_з) =(Еп - R_C* I_C.нач)+0.1* R_C* I_C.нач = R_C*I_C.нач*exp(-t_з /) + (Еп - R_C* I_C.нач ) (19)

Проделав несложные преобразования, находим длительность t_з заднего фронта

t_з =2.3*R_C*С_н (20а)

Если за длительность заднего фронта принять время, в течение которого выходное напряжение изменяется от уровня (U_co+0.1* U_m.вых) до уровня (U_co+0.9* U_m.вых), то она будет равна

t_з =2.2*R_C*С_н (20б)

Из сравнения (7) и (20) следует, что если в ключевой схеме выполняется условия (17), то длительности переднего и заднего фронтов выходного напряжения зависят одинаково от параметров схемы.

Если резистор в стоковой цепи условию (17) не удовлетворяет, то переходной процесс на заднем фронте разбивается в два этапа. На первом этапе происходит разряд конденсатора при работе транзистора практически с постоянным током стока (область пологого изменения тока стока), когда напряжение на конденсаторе уменьшается от Еп до Uc.нас. На втором этапе напряжение на конденсаторе, т.е. на стоке, становиться меньше Uc.нас., а поэтому дальнейшее уменьшение напряжения на стоке сопровождается уменьшение тока стока. Поэтому для анализа переходного процесса транзистор можно заменить резистором, сопротивление которого равно (10). Тогда эквивалентная схема выходной цепи ключевой схемы примет вид, как показано на рис. 6а.

Р
ис. 6. Эквивалентные схемы выходной цепи ключевой схемы при работе полевого транзистора в области крутого изменения тока стока.

Так как на схеме рис. 6а цепь Еп – Rc – rc состоит из линейных элементов, то согласно теореме Тевенина ее можно представить в виде эквивалентного генератора напряжения Еэкв с внутренним сопротивлением rэкв, как показано на рис. 6б. Э.Д.С. эквивалентного генератора Еэкв равно выходнному напряжению (на резисторе rc) в режиме холостого хода Uх.х., т.е. когда отключен от резисторов конденсатор Сн. Так как рассматриваемая цепь является резистивным делителем напряжения Еп, то эквивалентная э.в.с. равна

Еэкв=[rc/(rc+Rc)]*Еп (21)

Внутреннее сопротивление эквивалентного генератора определяется как отношение выходного напряжения в режиме холостого хода к выходному току в режиме коротго замыкания Iк.з. (резистор rc закорочен). В рассматриваемой схеме выходной ток в режиме короткого замыкания равен

Iк.з.=Еп/Rc (22)

Отсюда с учетом (21) и (22) находим

rэкв=(rc*Rc)/(rc+Rc) (23)

Так как на практике Rc>>rc, то можно принять

rэкв rc

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы