 |
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 переключениииз одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах.
Основными параметрами статических состояний ТК являются: напряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК, представленный на рисунке 6.1, характеризуется низким уровнем напряжения:
Рисунок 6.1 – Режим отсечки транзисторного ключа
Uвых=-Ек+JкоRк»-Ек. (1)
В режиме насыщения через ТК протекает ток:
Uвых=Uкэ»0. (2)
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 рисунке 6.2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессы в ТK.
Время задержки:
, (3)
где tвх=RбСвх;
Uб0 - начальное напряжение на Свх.
Длительность фронта определяется по формуле:
Рисунок 6.2 - Временные диаграммы работы транзисторного ключа
Для удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока от уровня 0.1Jкн до уровня 0.9Jкн:
(4).
где 
;
fв -верхняя граничная частота каскада ОЭ;
- коэффициент насыщения;
ток базы, соответствующий границе насыщения.
Время рассасывания заряда в базе:
, (5)
где tu - время жизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.
Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд в базе уменьшается до граничного значения Qгр=Jбнtu, при котором транзистор переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (tк<tэ) то транзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (tэu < tкu), то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике Jk и Uк появляется характерный выброс – на рисунке 6.2 - 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:
. (6)
Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит, когда транзистор находится в режимеотсечки. Поэтому длительность среза определяется постоянной времени tк=RкСк или tк=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК, на рисунке 6.1 выделен пунктиром, является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Jб1 и Jб2 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 рисунке 6.3, 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 с пределами измерения тока J1=20 мА, J2 = 200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.
|
|
|
Рисунок 6.3 - Схема макета лабораторной работы
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 влиянияих параметров на свойства исследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи (переключатель В4), подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2 (переключатель В2), подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ). В схеме установлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А со следующими параметрами: fa = от I до 3 мГц, Вст = от 30 до 60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт. Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:
| R1=75 кОм, | R6=5,1 кОм |
| R2=3 кОм | R7=10 кОм |
| R3=,130 Ом. | R8=75 кОм |
| R4=910 Ом, | C1=10,0 мкф |
| R5=30 кОм | C2=1000 пФ |
| C3=470 пф. |
Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.
Задание
1. Измерить статический коэффициент усиления по току транзистора, установленного в ключе.
2. Исследовать статические состояния ТК при различных Rк. Определить величину сопротивления Rк, соответствующую границе насыщения.
3. Исследовать характеристики ТК в динамическом режиме. Выявить зависимости основных параметров переходных процессов tф,tрас,tc от амплитуд входного напряжения. Построить соответствующие графики. Для одногоиз значений входного напряжения рассчитать- tф,tрас,tc по приведенным формулам. Оценить расхождение расчетных величин и измеренных.
4. Исследовать влияние форсирующего конденсаторана основные параметры переходных процессов.
5. Определить, на какие параметры ТК оказывает влияние конденсатор нагрузочной цепи.
6. Определить, прикаких параметрах коммутируемых элементов схемы ТК макета возникает инверсное запирание.
4 Контрольные вопросы
1. Каково назначение ключевой схемы?
2. Какими основными параметрами характеризуется ключ?
3. Как зависят параметры переходных процессов от глубины насыщения?
|
|
|
4. Что такое инверсное запирание ТК?
5. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?
6. Как влияет емкость нагрузки на длительность переходных процессов?
7. Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры ТК?
8. Поясните процессы в ТК по временной диаграмме.
|
|
|
