Расчет по п. В)

Для построения временных диаграмм тока I_к и напряжения U_кэ на семействе выходных ВАХ (рис. 5) сначала находим, в каких пределах может меняться ток коллектора I_к при условии, что транзистор не входит ни в режим насыщения, ни в режим отсечки. Исходное значение тока коллектора I_к в рабочей точке равно 2.5 мА. Отметим эту точку на рис. 6, там же определим точку, которая находится на границе активного режима и режима насыщения. В нашем случае это точка с координатами I_{к max} = 4.5 мА, I_{б max} = 45 мкА (см. штрихованную линию на рис. 5).

Следовательно, если переменная составляющая тока коллектора должна иметь синусоидальную форму, то приращение тока коллектора относительно его значения в рабочей точке должно составлять не более 4.5 – 2.5 = 2 мА. Так как положительная и отрицательная полуволны синусоиды должны иметь одинаковую амплитуду, то минимальное значение тока коллектора I_{к min} должно быть равно 2.5 – 2 = 0.5 мА, при этом I_{б min} = 5 мкА.

По значениям I_{к max} и I_{к min} находим на графике (рис. 5) соответствующие значения U_{кэ min,} U_{кэ max} и изображаем временные диаграммы тока коллектора и напряжения коллектор – эмиттер. Отмечаем, что уменьшению тока I_к соответствует увеличение напряжения U_{кэ .}

Откладываем значения I_{б min} и I_{б min} на входной ВАХ (см. рис. 4), строим временные диаграммы тока базы и напряжения база – эмиттер (синусоидальные кривые в границах I_{б min} – I_{б max} и U_{бэ min} – U_{бэ max}). Отметим, что фазы I_б, I_к и U_бэ – совпадают, а фазы U_бэ и U_кэ сдвинуты на 180^o. Периоды всех колебаний должны быть одинаковыми. Определим амплитуды переменных сигналов.

Амплитуда входного напряжения: U_{m бэ} = (U_{бэ max} – U_{бэ min})/2 = (0.7 – 0.65)/2 = 0.025 В.

Амплитуда входного тока: I_{m б} = (I_{б max} - I_{б min})/2 = (45 – 5)/2 = 20 мкА.

Амплитуда выходного напряжения: U_{m кэ} = (U_{кэ max} – U_{кэ min})/2 = (4.5 – 0.5)/2 = 2 В.

Амплитуда выходного тока: I_{m к} = (I_{к max} – I_{к min})/2 = (4.5 – 0.5)/2 = 2 мА.

Рассчитаем коэффициенты усиления переменного сигнала: По напряжению: K_U = U_{m кэ} / U_{m бэ} = 2/0.025 = 80. По току: K_I = I_{m к}/ I_{m б} = 2 ∙10^-3/20 ∙10^-6 = 100. По мощности: K_P = K_U ∙ K_I = 80 ∙ 100 = 8000. Входное сопротивление: R_вх = U_{m бэ} / I_{m б} = 0.025/20∙ 10 = 1.25 кОм. Выходное сопротивление: R_вых = U_{m кэ} / I_{m к} =2/2 ∙ 10^-3 = 1 кОм. Полезная мощность в нагрузке: P_R = I ²_{m к} ∙ R_к /2 = (2 ∙ 10^-3)² ∙ 1 ∙ 10³ / 2 = 2 мВт.

Отметим, что полученные значения очень неточны, т.к. величины U_{бэ max} и U_{бэ min} довольно близки друг к другу, вследствие чего на их значения сильно влияют погрешности построений.

Расчет по п. 2. г)

Ключевой режим работы транзистора можно проанализировать с помощью ВАХ (рис.5). Однако рабочая точка на выходных ВАХ будет находиться либо в режиме отсечки (транзистор выключен), либо в режиме насыщения (транзистор включен) – точка О^′ (точка пересечения линии нагрузки и линии насыщения). Ее координаты I_{к нас} и U_ост находятся непосредственно по выходным ВАХ.

I_{к нас} = 4.5 мА; U_ост = 0.3 В.

Сопротивление транзистора в состоянии "включено"

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в состоянии "включено"

Р_{к вкл} = 4.5 ∙ 10^-3 ∙ 0.4 = 1.8 мВт.

Ток базы, необходимый для включения транзистора I_{б вкл min} =45 мкА. Для получения малого времени включения транзистора рекомендуется подавать входной ток в несколько раз больший, чем требуется для начала режима насыщения:

I_{б вкл} = К_нас ∙ I_{б вкл min},

где К_нас – коэффициент насыщения, К_нас = 3 ÷ 5 при К_нас = 4,

I_{б вкл} = 4 ∙ 45 = 180 мкА.

Мощность необходимая для отпирания ключа

Р_вх = I_{б вкл} ∙ U_{бэ вкл} ,

где U_{бэ вкл} находят по выходной ВАХ, снятой при U_к = 0 (т.е. для режима насыщения). Согласно рис. 1, U_{бэ вкл} = 0.5 В.

Р_вх = 180 ∙ 10^-6 ∙ 0.5 = 0.09 мВт.

Расчет по п. 2. г)

Ключевой режим работы транзистора можно проанализировать с помощью ВАХ (рис.5). Однако рабочая точка на выходных ВАХ будет находиться либо в режиме отсечки (транзистор выключен), либо в режиме насыщения (транзистор включен) – точка О^′ (точка пересечения линии нагрузки и линии насыщения). Ее координаты I_{к нас} и U_ост находятся непосредственно по выходным ВАХ.

I_{к нас} = 4.5 мА; U_ост = 0.3 В.

Сопротивление транзистора в состоянии "включено"

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в состоянии "включено"

Р_{к вкл} = 4.5 ∙ 10^-3 ∙ 0.4 = 1.8 мВт.

Ток базы, необходимый для включения транзистора I_{б вкл min} =45 мкА. Для получения малого времени включения транзистора рекомендуется подавать входной ток в несколько раз больший, чем требуется для начала режима насыщения:

I_{б вкл} = К_нас ∙ I_{б вкл min},

где К_нас – коэффициент насыщения, К_нас = 3 ÷ 5 при К_нас = 4,

I_{б вкл} = 4 ∙ 45 = 180 мкА.

Мощность необходимая для отпирания ключа

Р_вх = I_{б вкл} ∙ U_{бэ вкл} ,

где U_{бэ вкл} находят по выходной ВАХ, снятой при U_к = 0 (т.е. для режима насыщения). Согласно рис. 1, U_{бэ вкл} = 0.5 В.

Р_вх = 180 ∙ 10^-6 ∙ 0.5 = 0.09 мВт.

Задача 2.

Дано:

1. Схема включения идеального операционного усилителя (ОУ) ( рис. 7).

2. Значения и фазы входных сигналов (табл. 3).

Таблица 3.

Напряжение входного сигнала.		Фаза входного сигнала
U1	U2		U1	U2
5	10		-	+

1. Для заданной схемы изобразить временные диаграммы входных сигналов, взятых из таблицы 3.

2. Показать выходной сигнал от каждого входного с учетом соотношения фаз, отдельно выделив результирующий выходной сигнал.

Масштаб выбрать условный без учета коэффициента усилителя (ОУ).

Решение.

Заданная схема включения ОУ показана на рис. 7. В этой схеме сигналы U₁ и U₂ подаются на инвертирующий вход. Это означает, что фазы выходных сигналов от воздействия U₁ и U₂ будут им противоположны. Будем считать, что коэффициенты усиления ОУ по каждому из входов одинаковы.

На рис. 8 изображены временные диаграммы входных и выходных сигналов. В условном масштабе при равном коэффициенте усиления по каждому из входов соотношение амплитуд выходных сигналов сохраняется. Результирующий выходной сигнал представляет сумму выходных сигналов от воздействия каждого входного с учетом фазовых соотношений. В данном случае он совпал с откликом на сигнал U₂ .

Задача 3.

1. Нарисовать логическую схему на 2 входа, реализующую логическую функцию И – НЕ на КНДП ключах.

2. Пояснить, как работает схема при заданной в таблице 4 комбинации входных сигналов.

Таблица 4.

Логическая функция			И – НЕ
Входной сигнал	X1	1
	X2	1

Решение.

1. Логическая схема на 2 входа, реализующая логическую функцию И – НЕ на КНДП ключах изображена на рисунке 9.

2. По условию задачи на оба входа подается сигнал логической единицы, следовательно транзисторы VT₃ и VT₄ открыты, а транзисторы VT₁ и VT₂ закрыты. Выходное напряжение стремится к потенциалу земли (логический нуль). Заметим, что элемент И – НЕ является комбинацией элементов И и НЕ, значит выход элемента И – НЕ является отрицанием выхода элемента И. Подача 1 на оба входа дает на выходе 0. Ниже приведена таблица истинности для двухвходового элемента И – НЕ (табл. 5).

Таблица 5.

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0