Добавил:

Shilak Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

Предмет:

Электроника

Файл:

laba3-vm1

.doc

Скачиваний:

Добавлен:

30.04.2013

Размер:

384.51 Кб

Скачать

☆

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является экспериментальное исследование статической передаточной характеристики ключа, переходных процессов при его переключении и способов повышения быстродействия.

КРАТКИЕ ТЕОРИТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Электронные ключи на биполярных транзисторах широко применяются в электронных ключевых устройствах, предназначенных для включения и выключения цепи нагрузки с помощью входных сигналов. Наибольшее распространение в ключевых схемах имеют транзисторы с ОЭ. 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, показана на рис. 1.

В базовой цепи транзистора включены источник входного управляющего напряжения и резистор , в коллекторной цепи – источник постоянного напряжения и резистор . Изменяя входное напряжения , можно управлять током коллектора и, следовательно, напряжением на выходе транзисторного ключа .

Статический режим

Ключевая схема в статическом режиме описывается статической передаточной характеристикой , представленной на рис. 2.

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 отрицательной полярности эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в области отсечки (разомкнутое состояние ключа), ток в коллекторной цепи очень мал ( порядка 10 мкА), а напряжение , (близко к напряжению питания ).

Активная область

Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания транзистора , эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную область. Выходное напряжение определяется соотношением , где В - коэффициент усиления базового тока, а – отпирающий базовый ток.

Область насыщения

При достаточно большом положительном напряжении , когда выполняется условие насыщения транзистора , транзистор входит в режим насыщения (режим двойной инжекции), что соответствует замкнутому состоянию ключа. В режиме насыщения напряжение на коллекторе транзистора мало , а ток насыщения коллектора определяется формулой .

Чтобы транзистор не выходил из режима насыщения при изменении его параметров, неравенство должно быть достаточно сильным. Для количественной оценки силы этого неравенства вводят параметр S - степень насыщения: . Значение S = 1 соответствует границе между режимами насыщения и активным. Базовый ток, соответствующий границе насыщения .

На границе насыщения напряжение на коллекторном переходе транзистора ; при коллекторный переход смещается в прямом направлении .

Переходный режим

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

– задержка фронта;

– время фронта,

– время накопления избыточного заряда;

– время рассасывания избыточного заряда;

– время среза.

Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении входного сигнала показаны на рис.3.

Задержка фронта

Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого транзистора до напряжения отпирания . Время задержки фронта определяется следующим выражением , где входная емкость равна сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов транзистора: .

Формирование фронта

На этапе формирования фронта транзистор работает в активном режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток , а ток коллектора экспоненциально нарастает , где – эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания коллекторного тока.

, где – время жизни неосновных носителей в базе, а – постоянная времени коллекторной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

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

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 . Процесс накопления заряда заканчивается через время , которое называют временем накопления, при достижении величины заряда .

Рассасывание избыточного заряда

При переключении входного напряжения от значения до значения , 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 . Ток базы изменит направление и примет значение .

Скачок базового тока от значения до (обратный базовый ток) вызывает рассасывание заряда со скоростью, определяемой постоянной времени . 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 . После этого начинают уменьшаться коллекторные ток и напряжение. Длительность стадии рассасывания определяется выражением: .

Формирование среза

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

Обратный ток базы

При большом значении запирающего тока 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: , где – время пролета носителей заряда через базу. Время среза выражается соотношением .

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

ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Измерения


0	7,5		7,5
0,5	7,46		6,96
1	0,248	0,418	2,16
1,5	0,215	0,356	-0,528
2	0,196	0,584	-0,557
2,5	0,179	0,804	-0,571
3	0,171	1,059	-0,582
3,5	0,166	1,291	-0,590
4	0,162	1,534	-0,596
4,5	0,159	1,75	-0,601
5	0,157	2	-0,606
Скачок
0,6	1,98	0,400	2,87
0,7	1,90	0,400	2,69
0,8	1,81	0,403	2,51
0,9	0,265	0,412	2,32