Теоретические сведения

Методическое руководство

К лабораторной работе

«Исследование транзисторов в ключевом режиме» по курсам

«Аналоговые электронные устройства»,

«Электроника и микроэлектроника»,

«Промышленная электроника»,

«Информационно-измерительная техника и электроника».

Бишкек 2002г

Составители: Алиев И.К., Джылышбаев Н.А., Чепашева Т.С.

Исследование транзисторов в ключевом режиме и методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Схемотехника аналоговых электронных устройств, «Аналоговые электронные устройства» для студентов по направлениям Т.25 «Радиотехника и Т.04 «Телекоммуникации»./Кыргызский Государственный Технический Университет сост.: Алиев И.К., Джылышбаев Н.А., Чепашева Т.С., Бишкек 2002./

Излагается методика к выполнению лабораторной работы и краткие теоретические сведения по исследованию транзисторов в ключевом режиме.

Предназначено для студентов по направлениям Т.25 «Радиотехника», Т.04 «Телекоммуникации», Т.28 «Информатика и вычислительная техника» и Т.13 «Электротехника».

Ил. … Библогр: назв.

Рецензент к.т.н., доцент Асылбеков Н.С.

Цель работы

Исследование различных схем транзисторных ключей, изучение физических процессов и режимов их работы

Теоретические сведения

Электронные ключевые схемы(ключи) являются важнейшими элементами импульсных схем и логических элементов. Основное назначение электронных ключей(ЭК) состоит в коммутации (замыкании и размыкании) электрических цепей под воздействием управляющих сигналов. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «Включено» и «Отключено». На рис. 1, а), б), в) показаны принципиальная схема и временные диаграммы идеального ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях соответственно.

Рис. 1

Если ключ разомкнут, то i=0, а U_вых=E. Если же ключ замкнут, то i=E/R, U_вых=0

В реальных ЭК токи и уровни выходного напряжения зависят от типа и параметров применяемых диодов и транзисторов.

Совершенство и качество ЭК характеризуют три основных параметра:

-время переключения t_пер – это время перехода из одного состояния в другое;

-ток через ключ в разомкнутом состоянии i_p;

-падение напряжения на ключе в замкнутом состоянии U_замк.

Совершенство ключа будет тем выше, чем меньше t_пер, i_p, U_замк . Так как ключ имеет два устойчивых состояния, то в разомкнутом состоянии электрические сопротивление ключа очень велико(стремится к ∞); при замкнутом состоянии ключа сопротивление его практически равно нулю. Быстродействие ключа характеризуется скоростью перехода ключа из одного устойчивого состояния в другое.

В качестве ЭК в настоящее время применяются кремниевые биполярные и полевые транзисторы и полупроводниковые диоды. Следует отметить, что основное достоинство ЭК на диодах – их простота – при интегральной технологии не дает практически никаких преимуществ. Это определяет их меньшее применение при изготовлении ИС. Ключи используются не только по прямому назначению, но и входят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.

В отличие от усилительных схем транзистор ключа работает в нелинейном режиме: с некоторых значений базового напряжения U_б ток его коллектора перестает изменятся вслед за U_б. Режим работы транзистора, при котором он находится в установившемся состоянии, либо в области отсечки, либо в области насыщения, называется ключевым.

Ключи на транзисторах являются управляемыми, т.е. их статические характеристики определяются не значением и полярностью коммутируемого напряжения, а значением управляющего сигнала.

В ключевом каскаде транзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером, так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно небольшую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свойства за счет значительного коэффициента передачи по напряжению(K_u>>1).

Рассмотрим стационарные и переходные режимы ключей на биполярных транзисторах.

Стационарные состояния ключа. Ключевой каскад(рис. 2) может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и в выключенном (транзистор заперт).

Режим насыщения возникает при положительном управляющем напряжении, если создаваемый им базовый ток I_б удовлетворяет условию

I_бβ ≥I_кн,

Где

β – коэффициент усиления базового тока;

I_кн – ток насыщения коллектора

При насыщении транзистора

I_к = I_кн ≈ E_к/R_к,

U_кэн = E_к – I_кнR_к ≈ 0

Режим отсечки (транзистор заперт) возникает при отрицательном управляющем напряжении, если оно обеспечивает запирание эмиттерного перехода(U_бэ ≤ 0).Так как в рассматриваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из нее обратный ток коллекторного перехода(I_ко, образуется неосновными носителями заряда), то указанное условие можно записать в виде

- U_упр + I_{ко max} R_б≤ 0, где

U_упр –абсолютное значение отрицательного управляющего напряжения;

I_{ко max} – значение обратного тока при максимальной рабочей температуре.

В режим отсечки

I_к = I_ко ≈ 0

U_кэ = E_к – I_ко R_к ≈ E_к

Проведем на этих характеристиках нагрузочную прямую, соответствующую выбранному значению сопротивления R_к. Эта прямая отсечет на оси абсцисс напряжение E_к, а на оси ординат – ток равный E_к/R_к.. Точке А соответствует минимальный ток ключа. Рабочая точка А является точкой пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей току базы I_б = I_ко и называется точкой отсечки. Она соответствует закрытому состоянию транзистора. Область отсечки на выходных характеристиках заштрихована и обозначена I. Точке В соответствует минимальное падение напряжения на ключе, в точке В транзистор открыт и насыщен. Область насыщения на выходных характеристиках заштрихована и обозначена II. Для перевода транзистора в режим насыщения подают импульс входного напряжения, амплитуда которого должна быть такой, чтобы транзистор был полностью открыт и через него протекал достаточный ток базы. В данном режиме напряжение на транзисторе(на выходе ключа) равно U_кэн, значение которого зависит от тока базы транзистора.

В соответствии с изложенным для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо в режиме насыщения(левее точки В), либо в режиме отсечки (правее точки А). Нахождение между точками В и А допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки или наоборот.

Длительность нахождения транзистора в этой области для реального ЭК зависит от собственных частотных свойств транзистора