ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. КЛЮЧИ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ: ОПИСАНИЕ

Цели работы – сборка и исследование параметров схем транзисторных ключей на маломощных МДП-транзисторах.

Несмотря на описанные в предыдущей лабораторной работе приемы повышения быстродействия и мощности ключей на биполярных транзисторах, последние обладают рядом существенных недостатков.

Во-первых, величина напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас – константа, которая не зависит от протекающего тока, почти не зависит от степени насыщения и составляет существенные доли вольта (а в случае составного транзистора – вплоть до 1 В). В задаче коммутации больших токов это приводит к значительному выделению тепловой мощности на самом транзисторе (которая равна P = IК UКЭнас), необходимости организации дополнительного охлаждения и к уменьшению КПД ключа.

Во-вторых, для управления ключом на биполярном транзисторе требуется отбор базового тока от схемы управления, которая не всегда в состоянии обеспечить нужный ток (особенно в случае использования низковольтных быстродействующих цифровых микросхем в связке с мощными транзисторами с невысоким коэффициентом усиления по току). В результате приходится использовать многокаскадные схемы или составные транзисторы, что существенно ухудшает частотные свойства системы и увеличивает ее стоимость и сложность. Поэтому для решения задачи управления средними и большими токами (от нескольких ампер до десятков и сотен ампер) в качестве ключевых элементов часто используют полевые транзисторы.

Основное преимущество полевых транзисторов – практически нулевой входной ток, то есть большое входное сопротивление усилителей и ключей на их основе. Кроме того, канал открытого полевого транзистора ведет себя как резистор с очень малым сопротивлением (десятки и единицы миллиом). Таким образом, полевой транзистор позволяет коммутировать средние и большие токи (до сотен А) с меньшими тепловыми потерями и большим КПД.

В настоящее время в электронных устройствах, как правило, используются полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие компоненты называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Канал МОП-транзисторов бывает n-типа и p-типа, при этом канал может быть встроенным (канал проводит ток при нулевом напряжении на затворе) и индуцированным (канал не проводит ток при нулевом напряжении на затворе, необходимо приложить к затвору напряжение больше порогового для того, чтобы канал транзистора начал проводить ток). Для задачи построения транзисторного ключа удобнее использовать компонент, который выключается при отсутствии воздействия, поэтому в ключах используют транзисторы с индуцированным каналом (см. рис. 1). Они же составляют подавляющее большинство среди всех выпускаемых в мире МДПтранзисторов.

Рис. 1. Полевые транзисторы с индуцированным каналом

Диод Шоттки, шунтирующий канал полевого транзистора и изображенный на его условном графическом обозначении, называется «body diode» и возникает как побочный эффект при производстве транзистора. Дело в том, что исток и подложку транзистора обычно соединяют вместе (что, кстати, также отражено в УГО), тем самым образуя диод из истока с его n- проводимостью и материала подложки, который обладает p-проводимостью (в n-канальном

транзисторе; в p-канальном транзисторе проводимость обратная). Наличие этого паразитного диода приводит, в частности, к тому, что МДП-транзистор может управлять током, текущем через канал только в одном направлении (в n-канальном транзисторе – от стока к истоку, в p- канальном – от истока к стоку).

UЗИ

UЗИотс UЗИнас

Рис. 2. Статическая характеристика МОП транзистора с индуцированным каналом

Схема ключа на МОП транзисторе с каналом n-типа показана на рис. 3, а. Ключ управляет током, протекающим в нагрузке RН. Исток транзистора подключён к земле, нагрузка включена в цепь стока. Если напряжение на затворе транзистора относительно его истока UЗ = UЗИ становится больше некоторого напряжения отсечки UЗИотс, канал транзистора начинает проводить ток IИС (сопротивление канала уменьшается). При достижении напряжением затвора значения напряжения насыщения UЗИнас транзистор полностью открывается, сопротивление канала становится крайне малым (десятки или единицы миллиом), напряжение на стоке UС практически сравнивается с напряжением истока, то есть, почти становится равным нулю. Через нагрузку и канал транзистора начинает течь ток IИСнас, который ограничен только сопротивлением нагрузки. Транзисторный ключ переходит в открытое состояние (см. рис. 2). Для большинства МДП транзисторов напряжения UЗИотс и UЗИнас очень близки (то есть транзистор в активном режиме имеет весьма крутую зависимость тока IИС от напряжения UЗИ). Для маломощных транзисторов они обычно составляют порядка 1 В.

а б

Рис. 3. Ключи на МДП-транзисторах: с n-канальным транзистором (а) и с p-канальным транзистором (б)

Между затвором и цепью управления в полевых транзисторах как правило ставят токоограничивающий резистор Rз небольшого сопротивления (1-100 Ом) для ограничения зарядного тока ёмкости затвора в моменты переключения ключа. Броски тока затвора при переключении могут перегружать источник управляющего сигнала, если в качестве такового используется какая-то интегральная схема, не предназначенная именно для управления полевыми транзисторами (драйвер).

Ключ на p-канальном транзисторе (рис. 3, б) работает аналогичным образом, только исток в нем подключается к источнику питания, а нагрузку включают в цепь стока (или, как говорят, «в нижнее плечо»). Поскольку правило «транзистор открыт, если напряжение затвор-исток

превысило пороговое значение» остается в силе, то в схеме c p-канальным транзистором на затвор закрытого ключа должно подаваться напряжение, равное напряжению питания UП (так как исток подключен к источнику питания и при этом получается UЗИ = 0). Для открытия транзистора напряжение затвора уменьшают так, чтобы возникла разность напряжений UЗИ = UЗИнас = UП – UЗ. Такая схема может вызывать дополнительные сложности в тех случаях, когда напряжение питания нагрузки больше, чем выходное напряжение цепей управления. Для решения этой задачи приходится строить дополнительные согласующие звенья. На практике и здесь часто используют специальные микросхемы – драйверы полевых транзисторов, которые управляются низковольтными источниками сигналов и выдают высоковольтные управляющие сигналы для p-канальных транзисторных ключей.

Тот факт, что n- и p- канальные транзисторы управляются напряжением разной полярности, позволяет строить ключи на основе пары этих транзисторов, управляемых одним и тем же сигналом (рис. 4). Такую пару из n- и p- канальных транзисторов называют комплементарной парой. Достоинство ключа на комплементарной паре заключается в том, что нагрузка, коммутируемая таким ключом, никогда не остается «висящей в воздухе», никуда не подключенной. Нагрузка всегда подключена либо к источнику питания, либо к земле, так как в комплементарной паре один из транзисторов всегда остается открытым. Это свойство ключа очень важно для коммутации индуктивных или емкостных нагрузок, например, электромагнитных приводов, звуковых излучателей, выходных цепей импульсных источников питания, куда в обязательном порядке устанавливается выходной LC-фильтр.

Рис. 4. Простой ключ на комплементарной паре n-канального и p-канального транзисторов

Недостатком «простой» схемы ключа на комплементарных транзисторах является протекание значительного сквозного тока при переключении. Дело в том, что вследствие процессов заряда и разряда затворных ёмкостей (током, ограниченным резисторами RЗ) в моменты переключения ключа один транзистор еще не успевает закрыться (затворная емкость еще не разрядилась), а другой уже начинает открываться. В результате через оба транзистора течет сквозной ток, из источника питания в землю, ограниченный лишь сопротивлением каналов, находящихся в процессе закрытия или открытия. Схема ключа начинает потреблять энергию, причем, в импульсном режиме.

Для исключения подобного эффекта строят дополнительные схемы управления, реализующие состояние т.н. «Dead Time» – «мертвого времени», в течении которого оба транзистора переводятся в состояние отсечки. Иными словами, сначала управляющая схема запирает ранее открытый транзистор, затем, выдержав некоторое время, открывает ранее закрытый. Для управления комплементарными парами выпускаются специальные микросхемы – драйверы комплементарных ключей, в которых величина мертвого времени задается внешними компонентами, или определена конструкцией. Кроме того, комплементарным ключом может управлять микроконтроллер, в котором есть соответствующие модули (таймеры с комплементарными выходами), работу которых настраивают программно.

Практически вся современная цифровая электроника – это комплементарные МОП (КМОП) транзисторы. Кроме того, мощные полевые транзисторы используются в качестве ключевых компонентов в выходных каскадах усилителей мощности, импульсных источниках питания, системах управления двигателями и т.д.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. КЛЮЧИ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ: ЗАДАНИЕ

1.Установите питание схемы UП = 5 В.

2.Соберите схему для исследования статической характеристики n-канального МДПтранзистора (рис. 1). При сборке схемы обратите внимание, что резистор, ограничивающий зарядный ток емкости затвора сопротивлением 100 Ом уже установлен на плате стенда рядом со сборкой МДП транзисторов в «микросхемном» корпусе на 8 выводов; дополнительный внешний резистор в эту цепь устанавливать не нужно. Диод Шоттки, шунтирующий канал полевого транзистора – это часть его УГО, он называется «body diode» и возникает как побочный эффект при производстве транзистора. При сборке схемы никаких диодов отдельно устанавливать не нужно.

3.В качестве источника управляющего напряжения используется скользящий контакт потенциометра полным сопротивлением 10 кОм. Кроме того, верхний по схеме контакт потенциометра подключен к источнику питания через дополнительный резистор, обеспечивающий более плавную регулировку выходного напряжения и защиту от короткого замыкания в случае неправильной сборки схемы. Между цепью затвора и землей (то есть, между затвором и истоком транзистора) установлен конденсатор большой ёмкости для фильтрации помех, наводимых в монтажных проводах.

Рис. 1. Схема для исследования статической характеристики n-канального МДП-транзистора

4.Подключите к скользящему контакту потенциометра (к точке UВХ) первый канал осциллографа, к стоку транзистора (к точке UВЫХ) – второй канал. Настройте осциллограф таким образом, чтобы с его помощью можно было измерять постоянные напряжения в первом и втором каналах (режим измерения среднего значения напряжения «Mean», связь каналов по входу «DC», масштаб по оси времени порядка 1-2 мкс, масштаб по оси напряжения – 1 В в клетке, источник синхронизации «Сеть»).

5.Снимите зависимость напряжения на стоке UВЫХ = UС (соответственно, и тока в нагрузке) от напряжения на затворе UВХ = UЗИ. Для этого плавно вращайте ручку потенциометра, наблюдая за тем, как транзистор переходит от закрытого состояния (UВЫХ = UП) к полностью

открытому состояния (UВЫХ 0). Сделайте 5-6 измерений в активном режиме (когда UВЫХ зависит от UВХ) и несколько измерений в режиме закрытого и открытого канала. Постарайтесь точнее определить момент, когда транзистор начнет открываться и переходит из режима отсечки в активный режим (UВХ = UЗИотс) и момент, когда сопротивление канала становится минимальным и транзистор из активного режима переходит в режим насыщения (UВХ = UЗИнас).

6.Измерьте точно, при помощи мультиметра, работающего в режиме измерения малых напряжений («mV»), напряжение на стоке полностью открытого транзистора UИСнас.

7.Соберите схему для исследования статической характеристики p-канального МДПтранзистора (рис. 2). Обратите внимание, что схема «зеркальна» предыдущей: дополнительный резистор установлен в цепи нижнего по схеме контакта потенциометра, а фильтрующий

конденсатор установлен между затвором и цепью питания (то есть по-прежнему находится между затвором и истоком).

Рис. 2. Схема для исследования статической характеристики p-канального МДП-транзистора

8.Аналогично п.5, снимите зависимость напряжения на стоке UВЫХ от напряжения на затворе UВХ = UЗИ. В процессе измерений постарайтесь, как и для n-канального транзистора, как можно точнее определить значения UЗИотс и UЗИнас.

9.Аналогично п.6, точно измерьте напряжение между истоком и стоком полностью

открытого транзистора UИСнас. Мультиметр при этом необходимо включать между стоком и цепью питания +Uп.

10. Соберите схему для исследования временны́х характеристик транзисторного ключа на n-канальном МДП транзисторе (рис. 3).

Рис. 3. Схема для исследования временны́х характеристик транзисторного ключа на n- канальном МДП транзисторе

11.Настройте генератор таким образом, чтобы на выходе возникли прямоугольные униполярные импульсы амплитудой 5 В. Для этого установите значение выходной амплитуды 5 В и задайте положительное смещение (постоянную составляющую сигнала), равное 2.5 В. Задайте частоту выходного сигнала, равную 1 кГц.

12.Подключите к выходу генератора (к точке UВХ) первый канал осциллографа, а к выходу схемы UВЫХ = UС (к стоку транзистора) – второй канал. Установите масштаб по оси времени 250 мкс в клетке, настройте синхронизацию осциллографа по фронту сигнала в первом канале. Убедитесь в работоспособности схемы, наблюдая входной и выходной сигналы.

13.Увеличьте масштаб по оси времени таким образом, чтобы можно было наблюдать за процессом открытия транзистора. Измерьте при помощи курсоров время открытия (tВКЛ) ключа. Затем установите режим синхронизации по срезу сигнала в первом канале и измерьте время закрытия (tВЫКЛ) ключа. Оба этих времени измеряются от момента изменения управляющего сигнала до момента времени, когда ключ перешел в новое состояние. Сфотографируйте осциллограммы открытия и закрытия ключа.

14. Соберите схему для исследования временны́х характеристик транзисторного ключа на p-канальном МДП транзисторе (рис. 4). Повторите наблюдения и измерения процессов открытия и закрытия ключа согласно п. 13. Сфотографируйте осциллограммы открытия и закрытия ключа.

Рис. 4. Схема для исследования временны́х характеристик транзисторного ключа на p- канальном МДП-транзисторе

15.Соберите схему комплементарного ключа (см. рис. 5). При сборке схемы еще раз обратите внимание, что резисторы сопротивлением 100 Ом в цепях затворов уже установлены на плате стенда, а «паразитные» диоды Шоттки являются частью конструкции транзисторов.

16.Подключите третий канал осциллографа к шунту RШ (к точке UШ). Данный резисторшунт будет использоваться для измерения тока, протекающего через ключ в момент его переключения.

17.Повторите наблюдения и измерения процессов переключения ключа согласно п. 13. Дополнительно, при помощи горизонтальных курсоров, измерьте также амплитуду напряжения UШ в моменты переключения транзисторов (отдельно: в момент включения и в момент выключения). Сфотографируйте осциллограммы переключения ключа.

Рис. 5. Ключ на комплементарной паре МДП-транзисторов