МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, молоді та спорту УКРАЇНИ

Технологічний коледж Національного університету

«Львівська політехніка»

Відділення комп’ютерних технологій

Інструкція до лабораторної роботи №3 дослідження електронного ключа на біполярному транзисторі

з дисципліни “Комп’ютерна електроніка”

для студентів коледжу

Спеціальність 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж”

Напрям підготовки 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”

ЛЬВІВ 2012

Інструкція до лабораторної роботи №3 “Дослідження електронного ключа на біполярному транзисторі” з дисципліни "Комп’ютерна електроніка" для студентів коледжу спеціальності 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж” напряму підготовки 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”- Львів: Видавництво Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка», 2012 - с. 12.

Укладач:

Викладач Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка» т.Д. Мандзевич

Інструкція до лабораторної роботи обговорена та схвалена на засіданні циклової комісії спеціальних комп’ютерних дисциплін коледжу

Протокол № від “____” __________2012 р.

Голова циклової комісії _______________ Л.М. Павліш

Рецензенти:

Войтович П.В. – викладач вищої категорії Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка»

Деревянченко Ю.Г. – викладач вищої категорії Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка»

Відповідальний за випуск:

Павліш Л.М. – голова циклової комісії спеціальних комп’ютерних дисциплін Технологічного коледжу Національного університету «Львівська політехніка»

© Мандзевич Т.Д., 2012

1. Мета роботи

Вивчення принципу роботи, основних характеристик та параметрів електронного ключа (інвертора) на біполярному транзисторі, ознайомлення зі способами вимірювання його характеристик та параметрів і дослідження методів покращення швидкодії інвертора.

2. Теоретична Частина

Електронні ключі використовують для формування напруг логічного нуля і логічної одиниці, а також для керування різноманітними пристроями. Вони зустрічаються як самостійні елементи або ж входять як складові у складніші пристрої. Електронні ключі реалізуються на біполярних або польових транзисторах (ТК). Найпростіший електронний ключ на біполярному транзисторі зображений на рис. 1.

В ключовому каскаді транзистор, як правило, вмикається по схемі СЕ. Саме цей варіант мається на увазі при розгляді стаціонарних і перехідних режимів ключів на біполярних транзисторах.

Рис. 1. Електронний ключ на біполярному транзисторі

Стаціонарні стани транзисторного ключа. ТК може знаходитись в одному з двох стаціонарних станів: у ввімкненому (транзистор насичений) і у вимкненому (транзистор закритий).

Режим насичення виникає при подачі на вхід ключа достатньо великої додатної вхідної напруги. Якщо базовий струм при цьому задовольняє умові

І_б*≥І_кн ,

де  - коефіцієнт підсилення базового струму; І_кн - струм насичення колектора, транзистор VT переходить в стан насичення і ключ відкривається. Колекторний струм транзистора при цьому збільшується до максимально можливого значення а напруга на колекторі .

Режим відсічки (транзистор закритий) виникає при достатньо малій або від’ємній вхідній напрузі, якщо вона забезпечує запирання емітерного переходу (u_бе≤0). Так як в даному режимі в колі бази проходить витікаючий з неї зворотний струм колекторного переходу (І_кб0), то зазначена умова запишеться у вигляді

-U_вх +І_{кб0 max}*R₂ ≤ 0,

де U_вх – абсолютне значення від’ємної вхідної напруги; І_{кб0 max} – значення зворотного струму при максимальній робочій температурі. В закритому стані ключа І_к=І_кб0≈0, а колекторна напруга зростає до величини

Перехідні процеси в транзисторному ключі. Так як транзистор є інерційним приладом, то перехід ТК з одного стаціонарного стану в інший відбувається не миттєво навіть при нескінченно крутих перепадах вхідної напруги (рис.2).

Перехідні процеси в ТК залежать від впливу паразитних ємностей C₁ i C₂ та скінченної швидкості зміни колекторного струму. Як видно з рис.2, процес переходу ключа з вимкненого стану у ввімкнений має дві стадії: затримку і фронт ввімкнення. Затримка ввімкнення t_зат обумовлена наявністю вхідної ємності С_вх= С₁ транзистора, що заряджається через резистор R₁, завдяки чому напруга на емітерному переході запізнюється відносно вхідної напруги. Тривалість фронту ввімкнення t_ф залежить від швидкості розповсюдження носіїв від емітера через базу до колектора, значення колекторної ємності і зменшується із збільшенням базового струму ввімкнення транзистора.

Процес переходу ТК із ввімкненого стану у вимкнений містить стадії затримки та фронту вимкнення. Затримка вимкнення t_н викликана тим, що під дією вимикаючого сигналу відбувається розсмоктування заряду, що нагромадився в базі при насиченні транзистора. Тривалість розсмоктування збільшується з підвищенням степені насичення транзистора і зменшується із збільшенням базового струму вимкнення. Тривалість фронту вимкнення (тривалість зрізу t_зр) залежить від тих же факторів, що і тривалість фронту ввімкнення, та зменшується із збільшенням базового струму вимкнення.

Резистор R₁ виявляє двоякий вплив на швидкодію перемикання ключа. З одного боку, зменшення опору R₁ прискорює момент відкривання транзистора, оскільки зменшується постійна часу заряджання ємності С₁ до напруги відкривання транзистора, а з іншого боку - призводить до збільшення струму бази і глибшого насичення транзистора та як наслідок - до збільшення часу закривання транзистора. Тому для забезпечення потрібної швидкодії ключа застосовують спеціальні схемні заходи, які обмежують степінь насичення транзистора.

М ожливості швидкодіючих ключів залежать не лише від якості транзисторів, але й від схеми і режиму роботи (глибини насичення) транзисторів, потужності джерел керування і живлення, форми і швидкості зміни вхідних сигналів, характеристик навантаження. При проектуванні швидкодіючих ключів треба мати на увазі, що швидкодія обмежується в основному факторами ємнісного характеру - часом перерозподілу заряду в робочих об'ємах транзистора і суміжних областях напівпровідникової структури. Тому підвищення швидкодії ключа можна досягнути форсуванням перезаряджання ємностей шляхом збільшення керуючих струмів і підтримання їх постійними під час усього перехідного процесу.

Рис. 3. Схемні варіанти підвищення швидкодії перемикання ключів за допомогою: використання фосуючої ланки (а); обмеження глибини насичення за допомогою: діода Шотткі (б); транзистора (в, г)

З цією метою в схемі рис 3, а в базовому колі транзистора використовується форсуюча RC-ланка, яка на час перемикання ключа збільшує струм бази транзистора і тим самим зменшує тривалість перехідного процесу включення транзистора. Проте підвищення швидкодії ключів шляхом форсування перезаряджання ємностей досягається ціною збільшення потужності споживання.

Інший шлях підвищення швидкодії полягає в обмеженні глибини насичення ключових транзисторів. З цією метою застосовуються різні схемні варіанти: із звичайним діодом (або діодом Шотткі рис. 3, б), додатковими біполярними транзисторами (рис. 3, в, г) та ін.

У схемі на рис. 3, б увімкнутий між базою і колектором транзистора VT діод Шотткі VD буде закритим доти, поки напруга на колекторі перевищує напругу на базі. Коли ж у процесі відкривання ключа напруга на колекторі стає меншою від напруги на базі, діод відкривається і закорочує кола колектора і бази, тим самим припиняючи подальше зростання струму бази і зменшення колекторної напруги.

У схемах на рис. 3, в, г роль діода Шотткі виконує транзистор VT₂.

У схемі на рис. 3, в транзистор VT₂ відкривається, коли напруга на колекторі VT₁ стає меншою від напруги на базі. Недоліком схеми є залежність порогу відкривання транзистора VT₂ від величини струму навантаження транзистора VT₁.

У схемі на рис. 3, г момент відкривання транзистора VT₂ визначається величиною колекторного струму транзистора VT₁, при якій на опорі R створюється спад напруги, достатній для відкриття VT₂.

Внаслідок удосконалення транзисторів та застосування описаних схемних рішень час перемикання ключа вдалося зменшити до десятих і сотих часток наносекунди.

Розглянемо особливості побудови електронних ключів на МДН – транзис-торах, технологія виготовлення яких є простішою порівняно з технологією виготовлення біполярних транзисторів. Ця перевага стає особливо помітною при створенні на одному кристалі однорідних структур, які складаються лише з МДН-транзисторів. З цієї причини в схемах електронних ключів на МДН-транзисторах (рис. 4, а, б) як елемент динамічного навантаження також використовують МДН-транзистор.

Якщо у схемі (рис. 4, а) вхідна напруга перевищує напругу відкривання VT₁, то стоковий струм цього транзистора починає зростати. При цьому вихідна напруга зменшується, а напруга на транзисторі VT₂ - збільшується. В результаті обидва транзистори будуть відкритими. У такій ситуації малу вихідну напругу можна отримати при умові, що статичний опір відкритого транзит-тора VT₁ значно менший від статичного опору відкритого транзистора VT₂.

Рис. 4. Електронні ключі на МДН-транзисторах з каналами n-типу (а); на комплементарних МДН-транзисторах (б)

Для цього потрібно вибрати активний транзистор з широким і коротким каналом, а навантажувальний - з вузьким і довгим.

Перехідні процеси в ключі, що розглядається, в основному визначаються процесами заряджання і розряджання паразитних ємностей МДН-транзисторів, з'єднувальних провідників і навантаження. Оскільки всі ємності заряджаються одним струмом стоку, то при розрахунках враховується сума всіх паразитних ємностей.

У схемі (рис. 4,б) використовують два ключові елементи: один - на транзисторі VT₁ з каналом n-типу, другий – на транзисторі VT₂ з каналом p-типу. На підкладку VT₁ подають найнижчий, а на підкладку VT₂ – найвищий потенціали. Тому p-n-переходи, які ізолюють канали МДН-структур, виявляються закритими. Особливістю ключа на комплементарних МДН-транзисторах є те, що вхідний сигнал керує обома транзисторами. При низькій вхідній напрузі VT₁ закритий, а VT₂ відкритий. У цьому випадку При високій вхідній напрузі VT₁ відкривається, а VT₂ закривається. Тоді В обох станах ключа, що розглядається, один з його транзисторів закритий і тому схема споживає малу енергію.

Перехідні процеси в ключах на комплементарних МДН-транзисторах аналогічні процесам у ключах на однотипних МДН-транзисторах.

Електронні ключі на МДН-транзисторах мають значно меншу швидкодію порівняно з ключами на біполярних транзисторах. Тому елементну базу швидкодіючої цифрової техніки будують на біполярних транзисторах.