ФГБ ОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроника и защита информации»

А.Н. КАРАУЛОВ, Л.И.СТРЯПКИН

КЛЮЧЕВЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Методические указания

к лабораторным работам

Москва - 2012

УДК ХХХ.ХХХ.ХХХ

К ХХ

Караулов А.Н., Стряпкин Л.И. Ключевые схемы на биполярных транзисторах: Методические указания к лабораторным работам – М.: МИИТ, 2012.-21 с.

Даются краткие теоретические сведения о принципах работы ключевых схем на биполярных и МДП-транзисторах и описание двух лабораторных работ, выполняемых на автоматизированном универсальном стенде.

© ФГБ ОУ ВПО МИИТ, 2012

1. Лабораторная работа № 4. Ключ на биполярном транзисторе

1. Цель работы Изучить принцип действия ключа на биполярном транзисторе, основные режимы работы транзистора в схеме ключа, влияние нагрузки на работу ключа.

2. Содержание работы

   1. Изучение статических режимов работы ключа и влияния на них нагрузки в виде аналогичных ключей.

   2. Изучение передаточной характеристики ключа U_вых=f(U_вх).

   3. Исследование динамического (импульсного) режима работы ключа и влияния нагрузки в этом режиме.

3. Краткие теоретические сведения

Рассмотрим простейшую схему ключа, реализованного на биполярном транзисторе n-p-n структуры (рис.1).

Рис.1. Ключ на биполярном транзисторе

Проанализируем работу схемы в статическом режиме. Предположим, входное напряжение U_ВХ=0, тогда ток базы I_Б=0, в цепи коллектора протекает пренебрежительно малый неуправляемый (тепловой) ток, не создающий практически падения напряжения на резисторе R_К. Таким образом, при входном напряжении низкого уровня на выходе схемы (в режиме холостого хода, при отсутствии нагрузки) формируется сигнал высокого уровня U_ВЫХ=E_К. При наличии на входе определённого напряжения, соответствующего уровню логической единицы U_ВХU¹ в цепи базы протекает ток I_Б, превышающий по величине ток базы насыщения (из этого условия выбирается R_Б), следственно, в цепи коллектора протекает ток, приближённо равный I_КН=E_К/R_К, напряжение на выходе схемы соответствует низкому уровню U_ВЫХ= U_КЭН U⁰. Таким образом, схема обладает свойством инвертирования входного сигнала. Так как транзистор включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ), схема также обладает свойством усиления входного импульсного сигнала по току и по напряжению.

Основным фактором, влияющим на работу ключа в статическом режиме, является наличие активной нагрузки. На рис.2. изображена схема ключа на биполярном n-p-n транзисторе, нагруженного активным сопротивлением R_Н. Как видно из схемы, когда транзистор VT1 находится в режиме насыщения, нагрузка практически не оказывает влияния на работу схемы. Однако, в случае, когда транзистор находится в режиме отсечки, сопротивление нагрузки может значительно снижать выходное напряжение.

Рис.2. Ключ на биполярном транзисторе

с активной нагрузкой

Как видно из схемы (рис.2.), в этом режиме в выходной цепи образуется делитель напряжения, состоящий из резисторов R_К и R_Н.

При этом, напряжение на выходе схемы будет равно:

. (1)

Сопротивление R_К обычно выбирается меньше R_Н для обеспечения на выходе схемы напряжения, соответствующего уровню логической единицы.

Современная электронная промышленность выпускает транзисторы в дискретном исполнении с граничными частотами до нескольких гигагерц, в связи с чем при анализе работы ключа в динамическом режиме ограничимся рассмотрением влияния лишь внешней ёмкости нагрузки, пренебрегая учётом временных параметров, характеризующих процессы, протекающие в полупроводниковой структуре транзистора. На рис.3 изображен ключ с емкостной нагрузкой.

Рис.3. Ключ на биполярном транзисторе

с емкостной нагрузкой

При анализе работы с электронных схем в динамическом режиме пользуются временными диаграммами. На рис.4. показаны временные диаграммы входного импульсного напряжения U_ВХ (рис.4.а), выходного напряжения U_ВЫХ при отсутствии емкостной нагрузки (рис.4.б), выходного напряжения U_ВЫХ при работе ключа на емкостную нагрузку (рис.4.в). Постоянная времени заряда конденсатора С_Н больше, чем постоянная его разряда, так как его заряд происходит через сравнительно большое сопротивление R_К, а разряд – через сравнительно низкое сопротивление открытого транзистора. В связи с этим длительность переднего фронта выходных импульсов больше длительности заднего фронта t₀₁> t₁₀.

Рис.4. Временные диаграммы, иллюстрирующие влияние емкостной нагрузки

Увеличение нагрузочной ёмкости ограничивает быстродействие ключевых схем, так как при высоких рабочих частотах ёмкость может не успевать заряжаться до уровня логической единицы U¹ за длительность импульса. Поэтому при проектировании импульсных устройств, работающих на высоких частотах, стараются минимизировать длину соединительных проводников между элементами схемы, а так же применяют элементы, имеющие низкую входную ёмкость.