4. Исследование схемы питания биполярного транзистора с фиксированным напряжением база-эмиттер с эмиттерной стабилизацией

Для получения этой схемы (рисунок 3.5,б) необходимо произвести следующие установки:

• переключатель S9 установить в положение «2»;

• тумблер S10 установить в положение «ВКЛ»;

• тумблер S12 установить в положение «ВЫКЛ»;

• тумблер S13 установить в положение «1».

• тумблер S11 используется для подключения конденсатора C5.

Регулирующим элементом для исследования ООС по току и ее влияния на К_u данного вида схемы является переменное сопротивление R16.

При проведении этого этапа работы используется также переменное сопротивление R9, с помощью которого выставляется рабочий режим работы транзистора по постоянному току.

Произвести измерения и расчёты при трех значений R16 при выключенном и включенном конденсаторе С5.

При этом необходимо учесть, что после каждого установления R16 нужно измерять постоянное напряжение U_КЭА в рабочей точке, которое должно равняться 4В и корректировать его с помощью R9 при отклонении от этого значения.

Зарисовать осциллограммы, соответствующие трем значениям R16, при включенной и выключенной емкости C5.

По результатам измерений и вычислений построить графики зависимостей К_u = f (R16) без С5, К_u = f (R16) с включенной С5.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.7.

Таблица 3.7

R16, Ом	100	200	300
UКЭ~, В, при выкл. С5
UКЭ~, В, при вкл. С5
Кu, при выкл. С5
Кu, при вкл. С5

Лабораторная работа 4.

Изучение схем питания полевых транзисторов

Лабораторная работа 5.

Исследование ключевого режима работы биполярного транзистора

Цель работы

В лабораторной работе измеряются импульсные параметры транзистора, определяющие скорость его переключения, исследуется влияние параметров входного сигнала и режима работы транзистора на отдельные этапы переходных процессов при включении и выключении транзисторного ключа. Кроме того, в лабораторной работе исследуется влияние ускоряющей емкости на скорость переключения и ненасыщенный режим работы транзисторного ключа.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуется ключевой режим работы биполярного и полевого транзистора. В схеме рис. 5.1, а при отсутствии входного сигнала биполярный p-n-p транзистор закрыт, так как к его базе через резистор R2 подключен источник запирающего напряжения Е2.

Рис. 5.1. Схема лабораторной установки: ключ на биполярном транзисторе

Резистор Rг=R1, включенный на входе транзисторного ключа, задает во входной цепи режим источника тока, так как его сопротивление выбирается много больше входного сопротивления открытого транзистора. Величина входного тока устанавливается с помощью внешнего генератора Г5-63. При замкнутом ключе К1 после окончания входного отпирающего сигнала в базу транзистора поступает запирающий входной ток, величина которого задается величиной источника запирающего смещения Е2 и сопротивлением резистора R2. Этот ток увеличивает скорость выключения транзистора, так как увеличивает скорость рассасывания избыточного заряда неравновесных носителей в базе транзистора и уменьшает длительность среза импульса выходного тока.

В коллекторной цепи транзистора включен резистор RК, который является сопротивлением нагрузки. С помощью переключателя К2 сопротивление резистора RК устанавливается равным 120 или 240 Ом, что соответствует при напряжении питания 12В установке коллекторного тока, равного 100 или 50 мА. Измерение базовых и коллекторных токов в лабораторной работе производится по величине падения напряжения на измерительных резисторах RИ1 и RИ2 с помощью осциллографа.

Ко входу транзисторного ключа можно подключить ускоряющую емкость (соединить проводником выводы 1 и 2) или установить ненасыщенный режим работы транзисторного ключа (соединить выводы 2 и 3).

Подготовка к работе

1. Изучить переходные процессы в ключе на биполярном и полевом транзисторе.

Выписать формулы для расчета времени включения, выключения и рассасывания неравновесных зарядов в базе транзистора (tВКЛ, tВЫКЛ, tр.).

2. Рассчитать длительности этапов tВКЛ, tР, tВЫКЛ, для двух значений токов насыщения транзистора IКН = 50 мА и IКН = 100 мА и отпирающем базовом токе IБ1=10 мА.

Запирающий ток IБ2 на этапе выключения считать равным 3 мА. При проведении расче-

та длительность входного импульса считать равной 10 мкс, tБ =2,5 мкс, b = 50.

Рабочее задание

1. Установить ручками управления генератора длительность входного импульса

tи ВХ=10 мкс, частоту следования входных импульсов 10 кГц (что соответствует периоду

повторения 100 мкс). Гнезда 1, 2, 3 не соединять, ключ К1 разомкнуть. Измерить постоянную времени накопления неравновесных носителей в базе транзистора tБ и базовый граничный ток IБ гран при двух значениях коллекторного тока 50 и 100 мА. Определить коэффициент передачи тока базы b.

2. Установить с помощью переключателя К2 коллекторный ток транзистора 100

мА. Включить источник смещения Е2 с помощью замыкания ключа К1 и установить за-

пирающий ток базы IБ2 =1мА (при этом E2=5.1кОм×1мА=5.1В). Определить постоянную

времени накопления tБН в режиме насыщения.

25

3. Установить длительность входного импульса tИ =10 мкс. Снять осциллограммы

импульсов коллекторного тока транзистора при IКН = 100 мА, IКН = 50 мА при входном

отпирающем токе базы IБ1=10 мА (UГ»RГ×IБ1»75 В) и запирающем токе базы IБ2 = 3 мА

(E2=15.3В). По осциллограммам определить длительности tВКЛ, tР, tВЫКЛ. Рассчитать

длительности этапов tВКЛ, tР, tВЫКЛ и сравнить с экспериментом.

4. Определить величину tР при IБ1=10 мА, IКН=50 мА, tИ=2 мкс. Сравнить полученные результаты со значением, полученным в предыдущем пункте при IКН = 50 мА.

5. Установить запирающий ток базы IБ2=3 мА. (E2=15.3В). Измерить tВКЛ, tР, tВЫКЛ в

транзисторном ключе с ускоряющей емкостью и нелинейной обратной связью.

6. Оформить отчет по проделанной работе. Сделать выводы письменно по каждо-

му пункту.

Методические указания

1. При измерении постоянной времени tБ в пункте 1 рабочего задания необходимо

установить базовый ток IБ1 такой величины, чтобы транзистор работал на границе на-

сыщения (при токе IБ1 = IБ ГРАН импульс коллекторного тока имеет фронт в виде нарас-

тающей экспоненты без излома). Базовый ток меняется при изменении амплитуды

входного сигнала (вращать ручку «амплитуда»). По осциллограмме коллекторного тока определяется активная длительность фронта импульса — время нарастания от 0,1 до 0,9 установившегося значения.

Тогда величина tБ определяется по формуле: tБ = tфр/2,2

Коэффициент передачи тока базы b определяется как отношение IКН/IБ ГРАН. Ток

коллектора насыщения IКН наиболее просто определить как:

IКН = ЕК/RК

Ток базы можно определить как отношение амплитуды отпирающих импульсов отрицательной полярности EГ генератора к сопротивлению RГ, поскольку из-за большой величины RГ на входе фактически имеется источник тока:

Отпирающий базовый ток также пропорционален падению напряжения на измерительном сопротивлении RИ1, на этапе действия входного отпирающего импульса, т.е.:

Коэффициент передачи тока базы определяется на границе насыщения и активно-

2. Для измерения постоянной времени накопления неравновесных зарядов в базе

транзистора в режиме насыщения tБН необходимо измерить время рассасывания неравновесных носителей в базе tР для двух значений отпирающего тока I’

3. Длительности этапов tВКЛ,, tР, tВЫКЛ рассчитываются по формулам:

Если выключение транзистора происходит при IБ2 = 0, то длительность среза импульса можно определить как tСР = 2,2×tБ.

4. Для установки на экране осциллографа статичного изображения исследуемых процессов используется следующая методика. Ручки «СТАБ.» и «УРОВЕНЬ» осциллографа устанавливаются в крайнее правое положение (вращаются до упора по часовой стрелке). После этого ручка «СТАБ.» вращается влево (против часовой стрелки) до момента исчезновения изображения на экране осциллографа. Затем ручка «УРОВЕНЬ» вращается влево (против часовой стрелки) до момента появления неподвижной картинки исследуемого процесса на экране осциллографа. Далее (если осциллограф находится в режиме внешней синхронизации импульсами с генератора Г5-63) можно вращая ручку «Временной сдвиг» генератора Г5-63, установить на экране осциллографа необходимое расположение исследуемого периодического процесса (или его части).

Контрольные вопросы

1. Переходной процесс переключения транзисторного ключа.

2. Рассказать об этапе задержки в переходном процессе транзисторного ключа.

3. Определение активной длительности фронта импульса при работе транзисторного ключа.

4. Рассказать об особенности работы транзисторного ключа на этапе накопления. Степень накопления.

5. Влияние напряжения смещения на работу транзисторного ключа.

6. Рассказать об этапе выключения транзисторного ключа.

7. Вывести выражение для этапа рассасывания неравновесных носителей зарядов в базе транзистора.

8. Режим полного и неполного накопления в транзисторном ключе.

9. Рассказать о влиянии напряжения смещения на длительность среза выходного импульса коллекторного тока.

10. Вывести выражение для расчета длительности среза выходного импульса коллекторного тока на этапе выключения транзистора.

11. Нарисовать форму входного импульса, обеспечивающую максимальное быстродействие транзисторного ключа.

12. Объяснить работу транзисторного ключа с ускоряющей емкостью.

13. Рассказать о работе транзисторного ключа с нелинейной обратной связью.

Лабораторная работа 6. (пассивная форма)

Исследование статических характеристик и параметров ТТЛ ИМС.

Цель работы — исследование статических характеристик и основных параметров базовых вентилей основных серий микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), а также условий совместной работы микросхем различных серий.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема лабораторного макета приведена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема лабораторного стенда

Макет смонтирован на печатной плате из стеклотекстолита, которая закреплена на передней панели универсального лабораторного стенда. Исследуемая микросхема вставляется в монтажную колодку, выводы от контактов которой заканчиваются одиночными штырьковыми разъемами. С помощью этих разъемов и проводников со штырьками к соответствующим выводам микросхем подводятся питающие напряжения и присоединяются измерительные цепи. На макете имеются дополнительные изолированные токопроводящие дорожки со штырьковыми контактами, которые используются для сборки измерительных схем.

Для проверки нагрузочной способности исследуемой микросхемы в верхней части макета расположены 6 нагрузочных ТТЛ вентилей типа К155ЛН2 со светодиодными индикаторами выходных состояний. Слева и справа от монтажных колодок расположены схемы включения измерительных приборов, которые используются для измерения токов и напряжений вентилей. Сами измерительные приборы находятся на передней панели лабораторного стенда. Питание макета производится от универсального источника, расположенного так же на лабораторном стенде. Источник питания и измерительные приборы соединяются с лабораторным макетом внешними проводами.

Подготовка к работе

1. Какие логические операции выполняют микросхемы ТТЛ серии 155 и ТТЛШ серии 1533. В чем отличия этих микросхем.

2. Пояснить назначение элементов в схеме ТТЛ.

3. Вид статических характеристик ТТЛ вентилей. Определение по ним основных параметров [5].

Рабочее задание

Рабочее задание выполняется для двух типов ТТЛ вентилей серий 155ЛА3 и

1533ЛА3 .

1. Снять и построить входные характеристики Iвх = f(Uвх) одного из входов ТТЛ вентилей; другие входы остаются свободными, т.е. на них присутствует уровень логической единицы.

Рис. 11.2-Схема измерения входных характеристик.

Рис.11.3- Входная характеристика Iвх = f(Uвх)

2. Снять и построить входные характеристики Iвх = f(Uвх) объединенных входов ТТЛ вентилей.

Рис. 11.4-Схема измерения входных характеристик объединенных входов ТТЛ вентилей.

Рис.11.5- Входная характеристика Iвх = f(Uвх) объединенных входов ТТЛ вентилей.

3. Снять и построить входные характеристики Iвх = f(Uвх) одного из входов ТТЛ вентилей; другой вход соединен с общей шиной питания, т.е. на него подан уровень логического нуля.

Рис.11.6-Схема измерения входных характеристик.

Рис.11.7- Входная характеристика Iвх = f(Uвх) одного из входов ТТЛ вентилей.

4. Снять и построить передаточные характеристики Uвых = f(Uвх).

Рис.11.8-Схема измерения передаточных характеристик.

Рис.11.9- Передаточная характеристика Uвых = f(Uвх).

5. Снять и построить выходные характеристики Iвых = f(Uвых) при низком и высоком уровнях напряжения на выходе.

Рис.11.10-Схема измерения выходных характеристик при низком уровне напряжения на выходе.

Рис.11.11-Выходная характеристика Iвых = f(Uвых) при низком уровне напряжения на выходе.

Рис.11.12-Схема измерения выходных характеристик при высоком уровне напряжения на выходе.

Рис.11.13- Выходная характеристика при высоком уровне напряжения на выходе.

6. По снятым характеристикам определить основные статические параметры ТТЛ вентилей:

· выходные напряжения, соответствующие логическому «0» — U0 и логической «1» — U1;

· порог переключения схемы Uл;

· входные токи вх I при Uвх = U0 и вх I при Uвх = U1;

· помехоустойчивость вентиля по отношению к помехам положительной Uп+ и отрицательной Uп- полярностей;

· уровни логического «0» и «1»;

· сравнить параметры исследуемых серий ТТЛ вентилей.

Методические указания

1. Типовая схема базового вентиля микросхем ТТЛ приведена на рис. 11.2. Входами схемы являются выводы эмиттеров многоэмиттерного транзистора (МЭТ) VT1. Выходной сигнал формируется схемой сложного инвертора на транзисторах VТ2-VТ5.

Рис. 11.14- Схема базового вентиля ТТЛ

Схема на рис. 11.2. реализует логическую операцию И-HЕ — появление нулевого потенциала на выходе возможно лишь при наличии единичных потенциалов на всех входах. Логическую операцию «И» выполняет МЭТ, операцию «НЕ» — сложный инвертор.

Все серии микросхем ТТЛ имеет одинаковые напряжения питания UП = 5 В ± 10% и сходные значения логических уровней входных и выходных напряжений, что обеспечивает возможность непосредственной стыковки микросхем ТТЛ различных серий. Однако уровни входных и выходных токов элементов ТТЛ различных серий различаются, что необходимо учитывать при расчете их нагрузочной способности

2. При снятии входных и выходных характеристик ТТЛ вентиля напряжение от источника питания на выводы микросхем необходимо подавать через токоограничительный резистор.

2.1. Входная характеристика

Входные характеристики вентилей ТТЛ всех серий качественно имеют одинаковый вид, так как их входные цепи одинаковы и отличаются лишь номиналами сопротивления резистора R1. Типовая входная характеристика вентиля ТТЛ показана на рис. 11.3.

Рис. 11.15- Входная характеристика ТТЛ вентиля

При входных напряжениях UВХ= -0,5 ¸ 1В эмиттерный переход МЭТ VТ1 открыт, входной ток вытекает из схемы по цепи, образуемой резистором R1 и эмиттерным переходом транзистора VT1. Величина этого тока в указанном диапазоне изменения UВХ

примерно линейно зависит от входного напряжения, крутизна характеристики определяется величиной сопротивления резистора R1. В зависимости от сопротивления R1, IВХ может быть от десятых долей мА до 1 ¸ 2 мА.

При возрастании входного напряжения до величины 1,2 ¸ 1,4 В начинают открываться транзисторы инвертора VТ2, VТЗ. Ток резистора R1 переключается из эмиттерной цепи в коллекторную цепь транзистора VT1, в результате чего входной ток резко уменьшается, а входной эмиттерный переход транзистора VTI запирается. При UВХ=1,4-1,6(В) входной эмиттер VТ1 имеет обратное смещение, коллекторный переход VT1 открыт. При этом МЭТ работает в инверсном режиме. Входные токи вентилей ТТЛ при UВХ >1,4-1.6(В) имеют значение порядка десятков мкА.

При увеличении входного напряжения до 7-8 В начинается пробой эмиттерного перехода МЭТ и входной ток резко возрастает. Если этот ток не ограничен до значения 1-3 мА, то вентиль может выйти из строя

2.2. Выходные характеристики

В статическом режиме работы вентиля ТТЛ транзисторы выходного каскада инвертора всегда находятся в противоположных состояниях. Если открыт VТ5, а VТ4 закрыт, то это состояние соответствует низкому выходному уровню напряжения, т.е. логическому «0», противоположное состояние — высокому выходному уровню, т.е. логической «1».

Каждому из этих двух состояний соответствует своя выходная характеристика. Для снятия такой характеристики напряжение на выходе вентиля меняется принудительно с помощью внешнего источника напряжения. Типичные выходные характеристики приведены на рис. 11.4.

Рис. 11.16- Выходные характеристики ТТЛ-вентиля

При низком уровне напряжения на выходе транзистор VТ4 закрыт, а VТ5 открыт.Поэтому выходное сопротивление вентиля мало и определяется сопротивлением насыщенного транзистора VТ5 (порядка 10 Ом). При увеличении выходного напряжения ток быстро нарастает до тех пор, пока транзистор VТ5 не выйдет из насыщения. Его дифференциальное сопротивление резко возрастает и рост выходного тока прекращается.

При уменьшении выходного напряжения почти до нуля транзистор VТ5 начинает работать в инверсном режиме и выходной ток изменяет свое направление — начинает вытекать из схемы.

При высоком уровне напряжения на выходе транзистор VТ5 закрыт и вид выходной характеристики определяется транзистором VТ4. В области больших положительных напряжений (свыше 3,5 В) транзистор VТ4 блокирован закрытым диодом VDЗ, на выходе протекает небольшой ток утечки. При напряжении, меньшем 3,5 В, и в области относительно малых входных токов падение напряжения на резисторе R5 мало и транзистор VТ4 работает в активном режиме как эмиттерный повторитель. Изменение выходного тока в этой области с уменьшением напряжения определяется малым выходным сопротивлением эмиттерного повторителя.

В области отрицательных значений UВЫХ резкое возрастание выходного тока связано с открыванием перехода подложка-коллектор транзистора VТ5.

Выходные характеристики вентилей ТТЛ различных серий различаются лишь уровнями выходных токов.

Контрольные вопросы

1. Пояснить работу принципиальной схемы базового ТТЛ вентиля.

2. Каковы особенности статических характеристик ТТЛ вентилей.

3. Варианты схем ТТЛ вентилей: вентиль ТТЛ с повышенной нагрузочной способ-

ностью; вентиль ТТЛ с открытым коллектором; вентиль ТТЛ с тремя выходными состоя-

ниями.

4.Особенности построения схем вентилей И-ИЛИ-НЕ, логические расширители.

5. Вентили ТТЛ без инверсии.

Лабораторная работа 7. (пассивная форма)

Исследование схем цифровой логики.

Лабораторная работа 8. (пассивная форма)

Исследование нелинейных устройств на транзисторах.