Микроэлектроника. Лабораторная работа № 3

РАБОТА ГРУППЫ А6-09, 2004

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ.

1.  ВВЕДЕНИЕ.

Теоретическая часть лабораторной работы.

Цель работы: собрать в среде PSpice и исследовать схемы транзисторных ключей, приведённых на рисунках 1 и 3.

Рисунок 1 Схема 1 Рисунок 3 Схема 2

Транзисторный ключ с эмиттерной связью.

Тран­зи­стор­ные клю­чи слу­жат для ком­му­та­ции це­пей на­груз­ки под воз­дей­ст­ви­ем внеш­них управ­ляю­щих сиг­на­лов. В со­от­вет­ст­вии с функ­ция­ми клю­ча тран­зи­стор мо­жет находиться в од­ном из двух ста­ти­че­ских ре­жи­мов:

·  ре­жи­м от­сеч­ки (тран­зи­стор за­крыт) и

·  ре­жи­м на­сы­ще­ния (тран­зи­стор от­крыт и на­сы­щен).

Режим отсечки

В боль­шин­ст­ве за­дач с тран­зи­стор­ны­ми клю­ча­ми, вы­пол­нен­ных по схе­ме с ОЭ вход­ная ха­рак­те­ри­сти­ка при­ня­то счи­тать ломаной ли­ни­ей Для получения режима отсечки необходимо обеспечить вы­пол­не­ние неравенства, |Uбэ| < |Uпор | (где Uпор - пороговое напряжение для германиевых транзисторов это напряжение около нуля, а для кремниевых » 0,6 В). На режим отсечки оказывает влияние обратный ток коллекторного перехода, причем степень влияния обратного тока коллекторного перехода на германиевые транзисторы существенно выше, поскольку у них этот ток на несколько порядков выше, чем у кремниевых. Кол­лек­тор­ный ток за­кры­то­го тран­зи­сто­ра сла­бо за­ви­сит от на­пря­же­ния на кол­лек­то­ре, но силь­но за­ви­сит от ок­ру­жаю­щей тем­пе­ра­ту­ры.

Так для германиевых тран­зи­сто­ров мож­но за­пи­сать

Поэтому условие обеспечения режима отсечки в транзисторных ключах на германиевых и кремниевых транзисторах несколько различны.

В ключах на германиевых транзисторах для обеспечения надежного запирания транзистора применяют дополнительный источник смещения.

Последовательно с ним обычно включают резистор. Отсюда условие запирания . Поскольку сильно зависит от температуры, то это условие должно выполняться при максимальной температуре. Так как Есм обычно задано, то значение сопротивления резистора R2

В ключах на кремниевых транзисторах напряжение порог отпирания отлично от нуля, поэтому Есм не используют.

В этом случае напряжение на базе

U0 остаточное напряжение источника входного сигнала, которое, как правило снимается с другого аналогичного ключа и не равно нулю при отсутствии разделительной емкости. Для выполнения условий запирания при максимальной температуре

В этом случае напряжение смещения на базе определяется так

Для надежного запирания ключа необходимо, чтобы условие запирания выполнялось при максимальной температуре. На практике напряжение Есм обычно задают в пределах от 0.5 до 3 Вольт.

Режим насыщения

Для получения режима насыщения на вход ключа необходимо подать отпирающее напряжение которое вызывает протекание базового тока .

В схеме с источником смещения условие насыщения будет определено как

а в схеме без источника смещения соответственно

где r OE - входное сопротивление открытого транзистора.

Рисунок 1 ‑ 2 Результаты расчета ключа по директиве Operating Point

Влияние нагрузки на работу ключа.

Нагрузку к ключу можно подключать

·  параллельно коллекторной нагрузки (нагрузке в коллекторной цепи параллельно R3)

·  параллельно транзистору

·  последовательно с транзистором.

Если нагрузка подключена параллельно к R3, то она считается незаземленной. Подключение такой нагрузки равносильно уменьшению сопротивления коллекторного резистора до значения

что приводит к уменьшению степени насыщения транзистора. Следовательно, сопротивление нагрузки можно уменьшать до тех пор, пока коэффициент насыщения не станет равным 1. Минимальное сопротивление нагрузки в этом случае составляет

Нагрузка подключенная параллельно транзистору, называется заземленной. Подключение ее вызывает уменьшение напряжения на выходе, поскольку напряжение источника распределяется между Rc и Rout. Выходное напряжение в этом случае может быть определено как

Динамический режим работы транзисторного ключа.

При ма­лой ем­ко­сти на­груз­ки Сout эта схе­ма мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на для фор­ми­ро­ва­ния ко­рот­ких им­пуль­сов с дли­тель­но­стью фрон­та

Для от­кры­тия тран­зи­сто­ра не­об­хо­ди­мо по­дать на вход тран­зи­сто­ра на­пря­же­ние пе­ре­во­дя­щее тран­зи­стор в от­кры­тое со­стоя­ние со сте­пе­нью на­сы­ще­ния тран­зи­сто­ра s. Зна­че­ние сте­пе­ни на­сы­ще­ния оп­ре­де­ля­ет­ся тре­буе­мым бы­стро­дей­ст­ви­ем клю­ча по за­дан­но­му фрон­ту им­пуль­са.

Смысл коэффициента насыщения состоит в следующем. Из условия насыщения транзистора достаточно создать базовый ток насыщения Iбн

Естественно, что транзистор будет насыщен и при Iб>Iбн. Отношение (Iб/Iбн)=s – называют степенью насыщенности ключа.

Обычно стараются создать s=(1.5¸3), при больших коэффициентах насыщения статические состояния ключа (включено - выключено) также обеспечиваются, однако при этом, снижается быстродействие ключевого каскада. При воздействии на вход ключа прямоугольного импульса, имеющего крутые фронты, транзистор включается и выключается не мгновенно, а за конечные промежутки времени, определяемые длительностью переходных процессов.

Переходные процессы включают

·  задержку включения tЗ

·  передний фронт импульса tф

·  рассасывание избыточного объемного заряда tр

·  задний фронт импульса tср

Задержка включения обусловлена перезарядом входной емкости от напряжения запирания до напряжения отпирания транзистора

. Время задержки включения приближенно можно определить как

где СВХ=СЭ+СК - входная емкость транзистора; СЭ и СК -емкости эмиттерного и коллекторного переходов; - ток включения транзистора.

Передний фронт коллекторного тока обусловлен инерционными процессами изменения концентраций носителей в базе и изменениями заряда барьерной емкости коллекторного перехода. Длительность фронта может быть определена

 

где - эквивалентная постоянная времени

; - постоянная времени транзистора, отражающая инерционность транзистора.

Рассасывание обусловлено уменьшением избыточного объемного заряда. На этом этапе транзистор выходит из насыщения на границу насыщения. Время рассасывания

где - ток базы при выключении транзистора.

Задний фронт коллекторного тока обусловлен инерционным характером уменьшения заряда в базе. На этом этапе транзистор с границы насыщения переходит в область отсечки. Длительность заднего фронта для схемы без источника смещения

для схемы с источником смещения

При больших значениях s справедливо соотношение

Уменьшение времени переходных процессов.

Для уменьшения времени переходных процессов схемы ключей усложняют: применяют форсирующую емкость С4, нелинейную отрицательную обратную связь.

Рисунок 1 ‑ 4 Ключ с ускоряющей емкостью.

Ключ с форсирующей емкостью С4, уменьшение времени включения и выключения обеспечивается за счет увеличения тока включения iб и iб2. Амплитуда тока включения

где -ЭДС источника входного сигнала; Ri- внутреннее сопротивление источника; - входное сопротивление транзистора.

По мере зарядки конденсатора С4 ток базы спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени

и стремится к уровню

Емкость С4 должна быть оптимальной, так как с увеличением С4 сокращается ta , но может увеличиться глубина насыщения, а с уменьшением емкости увеличивается как ta так и tсп. за счет сравнительно малых токов базы. Оптимальное значение емкости С4 зависит от постоянной времени

В схеме с нелинейной обратной отрицательной связью исключается процесс рассасывания предотвращением насыщения транзистора. Насыщение исключается фиксацией напряжения при открывании транзистора на уровне меньшем, чем необходимо для смещения коллекторного перехода в прямом направлении (для кремниевого транзистора это около 0.6 В). Фиксация обеспечивается диодом Шотки, у которого прямое падение напряжения около 0.5 В. Так как напряжение между коллектором и базой при наличии диода Шотки »0.5 В, то коллекторный переход не открывается и транзистор не входит в насыщение.

Рисунок 1 ‑ 5 Ключ с нелинейной обратной связью.

2. Практическая часть лабораторной работы.

Собранные схемы и полученные к ним графики U(t).

Рисунок 3 Схема 1, собранная в среде PSpice

Рисунок 4 График зависимости U(t) для схемы 1

Рисунок 5 Схема 2, собранная в среде PSpice

Рисунок 6 График зависимости U(t) для схемы 2

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В лабораторной работе была исследованы схемы транзисторных ключей, приведённые на рисунках 1 и 3.

Так же для данных схем были построены графики 2 и 4 U(t).

Полученные зависимости совпадают с теоретическими.

Задача решалась в программе PSpice.

 

4. ЛИТЕРАТУРА.

Основная

1. Степаненко микроэлектроники. М., Лаборатория базовых знаний, 2004.

2. Баскаков цепи и сигналы. М., Высшая школа, 1983.

Дополнительная

3. Белецкий линейных электрических цепей. М., Радио и связь, 1986.

4. , Демирчан основы электротехники. Т.1. Л., Энергоиздат, 1981.