ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»

(СПбГУТ)

ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА

Вариант №23

Фамилия:______________

Имя:______________

Отчество:______________

№ зачетной книжки:______________

Группа №:______________

Проверил:______________

Санкт-Петербург

2022

Задача 1.1

Дано:

Схема электронного ключа на биполярном транзисторе приведена на рис. 1,а. Значения элементов схемы и масштабные коэффициенты N и M представлены в таблице исходных данных. Семейства входных и выходных статических характеристик транзистора приведены на рис. 2 и 3.

Требуется:

1. Построить статическую передаточную характеристику ключа.

2. Определить основные параметры ключа: уровни логических нуля U⁰ и единицы U¹, логического перепада U_Л, минимальные уровни отпирающей и запирающей помех U⁰_П и U¹_П, коэффициент помехоустойчивости К_П.

3. Описать принцип работы ключа и указать, в каких базовых логических элементах он используется.

Таблица 1. Исходные данные:

№ варианта	Элементы схемы				Масштабные коэффициенты
	ЕК / ЕС В	RБ кОм	RК кОм	RС кОм	N	M
23	4,0	2,7	0,82	-	1	40

₊ Е_К

Х

Рис. 1 Схема транзисторного ключа

U_КЭ=0

_IБ I_К

мкА ^мА

400

U_КЭ=5 В

5

320

240 ₄

160

80

3

_Э, В

Рис. 2 Входные характеристики биполярного транзистора

1 2 3 4 U_КЭ, В

Рис. 3 Выходные характеристики транзистора

3

Решение:

1. Нарисовать схему ключа и пояснить назначение ее элементов.

Схема ключа на биполярном транзисторе приведена на рисунке 1. На входе схемы включен резистор R_Б, имеющий сопротивление, значительно большее входного сопротивления транзистора (R_Б >> h_11э), поэтому можно считать, что входная цепь ключа питается током .

Напряжение U_ВХ может принимать только два значения: U_ВХ = U⁰ и U_ВХ = U¹, соответственно ток базы также принимает два значения: i_Б = I⁰_Б = 0 и i_Б = I¹_Б = U¹/ R_Б .

Подключение внешней нагрузки влияет на его работу. Наиболее существенно изменяется величина уровня U¹_ВЫХ - с уменьшением сопротивления нагрузки оно уменьшается. Таким образом, подключение нагрузки уменьшает уровень логического перепада U_Л = U¹_ВЫХ – U⁰_ВЫХ .

2. Перенести на миллиметровку семейства входных и выходных характеристик транзистора, указав масштаб по осям с учетом заданных масштабных коэффициентов – рисунок 3.

3. На графике выходных характеристик построить нагрузочную линию по точкам: I_к = 0 мА, Е_к = 4,0 В и I_к = Е_к/R_к = 4,0/820 = 4,9 мА, Е_к = 0 В.

Для построения передаточной характеристики ключа определить значения выходного напряжения U_ВЫХ = U_КЭ, соответствующие точкам пересечения нагрузочной линии с выходными характеристиками, полученными при различных значениях тока базы – результаты представлены в таблице 1.

Отмечая эти значения тока базы на оси тока семейства входных характеристик (рисунок 4), определить соответствующие указанным точкам пересечения значения напряжения U_БЭ. При этом для точек, соответствующих активному режиму работы транзистора, использовать входную характеристику, полученную для активного режима (U_КЭ = 5 В), а для точек, соответствующих режиму насыщения, – характеристику, полученную для режима насыщения (U_КЭ = 0) – результаты представлены в таблице 1.

Рис. 4 Входные характеристики транзистора

Таблица 1

IБ ,мкА	0	40	80	120	160	200	240	320
UВЫХ=UКЭ, В	4,0	3,6	3,2	2,6	2,0	1,3	0,9	0,25
UБЭ, В	0,3	0,72	0,77	0,79	0,81	0,82	0,79	0,8
IБ· RБ, В	0	0,108	0,216	0,324	0,432	0,54	0,648	0,864
UВХ, В	0,3	0,828	0,986	1,114	1,242	1,36	1,438	1,664

Учитывая падение напряжения на резисторе R_Б, определить значения входного напряжения U_ВХ. При этом значения токов базы и соответствующие им значения входного и выходного напряжений следует записывать в таблицу.

4. Используя данные таблицы построить на миллиметровке передаточную характеристику транзисторного ключа – рисунок 5. На этом же графике построить передаточную характеристику в зеркальном отображении, откладывая значения U_ВЫХ по оси U_ВХ, а значения U_ВХ по оси U_ВЫХ. Отметить точки пересечения передаточной характеристики и ее зеркального отображения и определить и указать на графике значения входного и выходного напряжений, соответствующие логическим нулю и единице U⁰_ВХ, U¹_ВХ, U⁰_ВЫХ, U¹_ВЫХ, и величину логического перепада U_Л. Определить и указать на графике пороговые значения входного напряжения U⁰_ПОР и U¹_ПОР, соответствующие точкам, в которых │dU_ВЫХ /dU_ВХ│=1, т.е. угол наклона касательной к характеристике составляет 45 градусов, и минимальные величины отпирающей и запирающей помех U⁰_П и U¹_П. Рассчитать коэффициент помехоустойчивости ключа К_П.

Рис. 5 Передаточная характеристика

U⁰_ВЫХ = 0,25В

U¹_ВЫХ = 4,0 В

U_Л = U¹_ВЫХ - U⁰_ВЫХ = 4,0 – 0,25 = 3,75 В

U⁰_ВХ = 0,3 В

U¹_ВХ = 1,66 В

U⁰_ПОР = 0,83 В

U¹_ПОР = 1,44 В

U⁰_П = U⁰_ПОР - U⁰ = 0,83 – 0,3 = 0,53 В

U¹_П = U¹ – U¹_ПОР = 1,66 – 1,44 = 0,22 В

5. При описании принципа работы ключа следует указать режимы работы транзистора, соответствующие устойчивым состояниям ключа, и рассмотреть физические процессы, протекающие при переключении ключа из одного состояния в другое. Отметить, какую логическую функцию выполняет транзисторный ключ. Указать, в каких базовых логических элементах используется рассмотренный в задаче тип ключа.

Транзистор может работать в ре­жиме бесконтактного ключа. Бесконтактный ключ используется для коммутации тока нагрузки транзистора под воздействием внешнего управ­ляющего сигнала. При отсутствии входного сигнала транзисторный ключ находится в закрытом (разомкнутом) состоянии. Это соответствует смещению его рабочей точки в область отсечки. Второе состояние соответствует замкнутому ключу, когда транзистор открыт и находится либо в активной области, либо в области насыщения (рисунок 6).

В режиме насыщения в биполярном транзисторе расходуется мень­шая мощность по сравнению с активным режимом. Поэтому область насыщения для открытого ключа является предпочтительной, особенно при больших токах нагрузки, а активная область является переходной из одного стационарного состояния в другое и определяет быстродействие ключа.

Рис. 6 - Транзисторный ключ на биполярном транзисторе: а – схема; б – временные диаграммы

Статический режим транзисторного ключа практически ничем не отличается от статического режима усилителя, переходный режим имеет характерные особенности. Для анализа переходных процессов в транзисторном ключе можно использовать метод заряда емкостей, согласно которому, закон изменения неосновных носителей заряда в базе определяется уравнением

, (1.1)

где Q – заряд неосновных носителей в базе;

– ток базы;

– постоянная времени, характеризующая время жизни неосновных носителей в базе.

. (1.2)

Емкости коллекторного и эмиттерного переходов затягивают пере­ход­ный процесс, увеличивая тем самым время включения и отключения транзисторного ключа.

С учетом межэлектродных паразитных емкостей

, (1.3)

где C_эб, C_кб – соответственно барьерные емкости эмиттерного и коллек­тор­ного переходов.

В исходном состоянии при e_г = E_г2 (рис. 6, а) транзистор находится в режиме отсечки. Коллекторный ток I_к равен начальному току транзис­тора I_кбо, который настолько мал по сравнению с током нагрузки, что им можно пренебречь.

В момент изменения управляющего напряжения от E_г2 до Е_г1 эмит­тер­ный переход транзистора некоторое время остается закрытым, так как напряжение на барьерных емкостях мгновенно измениться не может. Для появления базового тока необходимо, чтобы входная емкость

перезарядилась до некоторого положительного порогового напря­же­ния, величина которого для кремниевых транзисторов составляет U_пор = (0,6...0,8) В. С этого момента времени t₁ ток базы принимает значение

. (1.4)

Ток коллектора начнет нарастать по экспоненциальному закону с постоянной времени

. (1.5)

В итоге ток достигает своего максимального значения

.

Так как в коллекторную цепь включен резистор R_к, то максимальное значение тока коллектора

. (1.6)

В момент времени t₂ коллекторный ток достигнет значения I_кн и будет оставаться постоянным, несмотря на накопление неосновных зарядов в базе. В момент подачи запирающего напряжения t₃ и изменения направ­ления базового тока ток коллектора некоторое время t₄–t₃ будет оставаться неизменным, пока заряд в базе рассосется до граничного значения. С момента времени t₄ ток коллектора начнет уменьшаться по экспоненциальному закону до нуля.

Таким образом весь переходный процесс переключения транзистора из исходного состояния в насыщение и наоборот имеет три характерных участка:

1-й – формирование фронта выходного импульса t_ф (активный режим);

2-й – рассасывание заряда в базе t_рас (режим насыщения);

3-й – формирование среза коллекторного тока t_с (активный режим).

Следовательно, в транзисторном ключе в действительности выход­ной импульс несколько сдвинут по фазе относительно входного импульса и имеет искаженные фронт и срез.

Для уменьшения длительности переходных процессов в ключе на бипо­лярных транзисторах входной ток увеличивают в 1,2...2 раза по сравнению с током насыщения базы I_бн. Это приводит к ускорению заряда межэлек­тродных емкостей и увеличению скорости нарастания коллектор­ного тока. Длительность фронта при этом значительно уменьшается. Для нормальной работы транзисторного ключа и уменьшения времени среза к базе обычно подключают источник независимого смещения Е_см.

Ключи на биполярных транзисторах имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение:

- ограниченное быстродействие, вызванное конечной скоростью рассасывания неосновных носителей в базе;

- значительная мощность, потребляемая цепями управления в статическом режиме;

- при параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов в цепях эмиттеров, что приводит к снижению КПД схемы;

- термическая неустойчивость, определяемая ростом тока коллектора при увеличении температуры транзистора.