элтех вся хуйня / Новая папка / лаба_3

Министерство образования Российской Федерации

НИУ ВШЭ Московский государственный институт электроники и математики

Кафедра электроники и электротехники

Ключ на биполярном транзисторе.

Симметричный триггер.

Выполнил:

Шумшурова Н.

Проверил:

Козынко П.А

Москва 2013

Цель работы

Целью работы является экспериментальное исследование статической передаточной характеристики ключа, переходных процессов при его переключении и способов повышения быстродействия. А так же изучается статический режим работы симметричного триггера на биполярных транзисторах на постоянном токе, проверяется возможность триггера сохранять свое состояние длительное время.

Теоретические сведения

Ключ

Простейшая ключевая схема представляет собой транзисторный каскад усиления, управляемый перепадом входного напряжения. Схема простейшего ключа на транзисторе n-p-n типа, включенного по схеме с общим эмиттером

В базовой цепи транзистора включены источник входного управляющего напряжения U_вx и резистор R_б, в коллекторной цепи - источник постоянного напряжения Е_к и резистор R_к. Изменяя входное напряжения U_вx, можно управлять током коллектора I_к и, следовательно, напряжением на выходе транзисторного ключа U_вых.

Статический режим

Ключевая схема в статическом режиме описывается статической передаточной характеристикой U_вых = f(U_вх)

Статическая передаточная характеристика снимается при относительно медленных изменениях тока и напряжения. Транзисторный ключ характеризуется двумя устойчивыми состояниями - разомкнутым и замкнутым.

Область отсечки

При входном напряжении Uвх отрицательной полярности (Uвх < 0) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в области отсечки (разомкнутое состояние ключа), ток в коллекторной цепи очень мал (Iкбо порядка 10 мкА), а напряжение U_вых = E_к - I_кбо R_к ~ E_к (1) близко к напряжению питания Е_к.

Активная область

Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания транзистора U_отп, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную область. Выходное напряжение определяется соотношением U_вых=Е_к–I_к*R_к=Е_к–B*I_ботп*R_к, (2) где В - коэффициент усиления базового тока, а

I_ботп = (U_вх – U_отп) / R_б (3)

отпирающий базовый ток.

Область насыщения

При достаточно большом положительном напряжении U_вх, когда выполняется условие насыщения транзистора

В*I_ботп ≥ I_кн, (4)

транзистор входит в режим насыщения (режим двойной инжекции), что соответствует замкнутому состоянию ключа. В режиме насыщения напряжение на коллекторе транзистора мало (U_ост = 0,05÷0,1 В), а ток насыщения коллектора определяется формулой

I_кн = (E_к – U_ост) / R_к ≈ E_к / R_к (5)

Чтобы транзистор не выходил из режима насыщения при изменении его параметров, неравенство (4) должно быть достаточно сильным. Для количественной оценки силы неравенства (4) вводят параметр S - степень насыщения

S = (B*I_ботп) / I_кн (6)

Значение S = 1 соответствует границе между режимами насыщения и активным. Базовый ток, соответствующий границе насыщения

I_бгр = I_кн / B (7)

На границе насыщения напряжение на коллекторном переходе транзистора U_бк = 0; при S > 1 коллекторный переход смещается в прямом направлении (U_бк > 0).

Переходный режим

При ступенчатом изменении входного напряжения в схеме ключа происходят переходные процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами:

t_з - задержка фронта;

t_фp - время фронта,

t_н - время накопления избыточного заряда;

t_p - время рассасывания избыточного заряда;

t_cp - время среза.

Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении

входного сигнала

Задержка фронта. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого транзистора Свх до напряжения отпирания Uотп. Время задержки фронта определяется следующим выражением

t_з = С_вх*R_б*ln( (E1 + E2)/(E2 – U_отп) ) (8)

где входная емкость С_вх равна сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов транзистора:

С_вх = С_э + С_к(э) (9)

Формирование фронта. На этапе формирования фронта транзистор работает в активном режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток Iботп, а ток коллектора экспоненциально нарастает

I_к(t)=B*I_ботп*( 1 – exp(-t/τ_в) ) (10)

где τ_в - эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания коллекторного тока.

τ_в = τβ + τ_к

τβ - время жизни неосновных носителей в базе;

τ_к = С_к(э)*R_к - постоянная времени коллекторной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Формирование фронта заканчивается, когда ток коллектора достигает значения Iкн. Длительность фронта выражается следующим образом:

t_фр = τ_в*ln( B*I_ботп / (B* I_ботп – I_кн) ) (11)

Накопление избыточного заряда. В конце этапа формирования фронта транзистор оказывается на границе области насыщения. После этого начинается процесс накопления избыточного заряда в базовом и коллекторном слоях транзистора. Поскольку внешние токи транзистора на данном этапе практически не изменяются, заряд накапливается благодаря термогенерации носителей, следовательно, скорость накопления определяется средним временем жизни носителей в базовом и коллекторном слоях τ_ср. Процесс накопления заряда заканчивается через время t_н= 3*τ_ср, которое называют временем накопления, при достижении величины заряда Q = Iботп*τср.

Рассасывание избыточного заряда. При переключении входного напряжения от значения Е₂ до значения - Е₁, заряд, накопленный в базовом и коллекторном слоях, не может измениться скачком, следовательно, не изменятся мгновенно и напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах. В момент переключения входного сигнала на обоих переходах сохраняются прямые смещения, близкие к напряжению отпирания U_отп. Ток базы изменит направление и примет значение

I_бобр = ( - E1 – U_отп) / R_б (12)

Скачок базового тока от значения I_ботп до I_бобр (обратный базовый ток) вызывает рассасывание заряда со скоростью, определяемой постоянной времени τ_ср. На этапе рассасывания заряда ток коллектора и напряжение на коллекторе не меняются. Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных носителей на границе базы с коллектором падает до нуля и на коллекторном переходе восстанавливается обратное напряжение (U_бк < 0). После этого начинают уменьшаться коллекторные ток и напряжение. Длительность стадии рассасывания определяется выражением:

t_р = τ_ср*ln( (I_ботп – I_бобр) / (I_бгр – I_бобр) ) (13)

Формирование среза. По окончании этапа рассасывания начинается стадия формирования среза (tcp), которая заканчивается запиранием транзистора. При малых запирающих токах длительность стадии среза определяется формулой:

t_cp=τ_в*ln(l + I_бгр / I_бобр) .

I_бобр

При большом значении запирающего тока (I_бобр ≈ I_кн) транзистор оказывается в режиме динамической отсечки, при котором оба перехода смещены в обратном направлении, а в базе в течение некоторого времени сохраняется остаточный заряд. В этом случае формирование среза выходного напряжения происходит с постоянной времени отсечки:

τ_отс ≈ 0,25*t_пр + С_к*R_к ,

где t_пр - время пролета носителей заряда через базу. Время среза выражается соотношением

t_cp = 2,З*τ_отс .

Уменьшить время переходных процессов удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора С_уск, который позволяет увеличить токи базы I_ботп и I_бобр на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются.

Uвх, В	Uвых, В	Iб=Iвх, мА	Uкб, В
0	2,9	0,14	2,65
0,25	2,5	0,19	2,3
0,37	2,37	0,21	2,2
0,5	2,18	0,23	1,95
0,67	2,04	0,25	1,75
0,83	1,88	0,28	1,6
1	0,43	0,24	-0,6
1,5	0,11	0,33	-0,63
2	0,09	0,54	-0,66
2,5	0,07	0,76	-0,68
3	0,07	0,97	-0,7
3,5	0,06	1,2	-0,7
4	0,06	1,4	-0,7
4,5	0,057	1,6	-0,7
5	0,054	1,9	-0,71

LTSpice

Q2 N002 N004 0 0 kt315

V1 N003 0 1

V2 N001 0 5

R1 N001 N002 10

R2 N004 N003 10

R3 0 N002 4

.model NPN NPN

.model PNP PNP

.lib C:\PROGRA~1\LTC\LTSPIC~1\lib\cmp\standard.bjt

.model kt315 NPN(Is=1e-13 Bf=200 Br=5 Vaf=74 Var=30 Rb=230 Re=15 Re=2 Cje=1pF Cjc=3pF Tf=12e-9 Tr=7e-8)

.dc V1 0 5 0.1

.backanno

.end

Триггер

Триггером, называют устройства, имеющие два устойчивых состояния, у которых переход из одного устойчивого состояния в другое происходит вследствие регенеративного процесса. Под регенеративным, процессом понимают переходной процесс в электрической цепи, охваченной положительной ОС. Переход триггера из одного состояния в другое происходит при воздействии управляющего сигнала и сопровождается скачкообразным изменением напряжений и токов в цепи.

Рассмотрим схему симметричного триггера (см рис.). Триггер представляет собой два усилителя на транзисторах VТ1 и VТ2. Выход одного усилителя соединен со входом другого и наоборот. Таким образам образуется положительная обратная связь.

В принципе в такой схеме возможно состояние, когда оба транзистора открыты и пребывают в равновесии, однако на практике малейшая флуктуация тока или напряжения приведет к лавинообразному процессу закрытия одного транзистору и еще большему открытию другого.

Если параметры схемы выбраны так, что когда один из транзисторов закрыт, другой открыт и насыщен, то такой триггер называют насыщенным. Если открытый транзистор находится на границе активной области, то такой триггер называют ненасыщенным.

В одном из устойчивых состояний триггер может находится сколь угодно долго, пока не поступит управляющий сигнал. Пусть он поступает на базу запертого транзистора VТ2. Как только напряжение на базе VТ2 достигнет уровня отпирания появится коллекторный ток 1² и, следовательно, уменьшится ток базы I_б1. VТ1 выйдет в активную область и будет восстановлена петля обратной связи. Возникающий при этом регенеративный процесс аналогичен описанному выше. В итоге VТ1 закроется, а VТ2 откроется и окажется в области насыщения. Триггер перейдет в другое устойчивое состояние.

Конденсаторы включены для ускорения процесса переключения и называются ускоряющими. Они также обеспечивают четкость процесса переключения.

Процесс переключения триггера удобно описывать с помощью передаточных характеристик. Состояния равновесия находятся в точках пересечения передаточных характеристик (1,2, 3), причем точка 2 не является устойчивой.

Пусть на вход 1 подан запирающий сигнал. Процесс переключения триггера можно разбить на несколько этапов:

Стадия подготовки начинается в момент подачи на вход импульса и включает в себя время рассасывания избыточных носителей в базе VТ1 (t_р) и формирования на коллекторе VТ1 отрицательного фронта (t_п), на котором VТ1 работает уже в активном режиме и ток I_к1 уменьшается а U_к1 растет. Этот перепад напряжения передается через конденсатор на базу VТ2 и, когда потенциал U_б2 компенсирует начальное смещение, транзистор VТ2 открывается.

Стадия регенерации (t_рег) начинается с отпирания VТ2, после чего в течение некоторого времени открыты оба транзистора. На этой стадии приращение коллекторных токов почти полностью идет в базу противоположного транзистора через С, что ускоряет переходный процесс.

Затем следует стадия динамической отсечки, на которой процессы идут в прежнем направлении, но с меньшей скоростью, хотя VТ1 уже не управляем.

Стадия восстановления начинается с запирания VТ1 и продолжается до установления устойчивого состояния. Она состоит из трех этапов: формирования положительного фронта на коллекторе VТ2 (t_ф+), отрицательного фронта на коллекторе VТ1 (t_ф-), и этапа динамического смещения (t_дс), на котором потенциал базы закрывшегося VТ1 уменьшается до статического U_б0.

R8=10кОм

	Uбэ, В	Uбк, В	Uкэ, В
VT2	0.7	0.69	0.01
VT3	-0.63	-10.39	9.76
VT2	0.71	0.64	0.07
VT3	-1.44	-10.02	8.58
VT2	-1.64	-7.14	5.5
VT3	0.18	0.13	0.05
VT2	-1.65	-9.81	8.16
VT3	0.68	0.63	0.05