Московский государственный институт электроники и математики
(Технический университет)
Кафедра электроники и электротехники
Ключ на биполярном транзисторе.
Симметричный триггер.
Выполнили:
Шилак Е.М.
Лукинов Н.А.
Ильичев В.А.
группа С-41
Руководитель Орехов Е.В.
Москва
2010
Цели работы.
Экспериментальное исследование статической передаточной характеристики ключа, переходных процессов при его переключении и способов повышения быстродействия. Исследование статических и динамических характеристик симметричного триггера на биполярных транзисторах.
Краткие теоретические 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.
Рис. 1.
В базовой цепи транзистора включены источник входного управляющего напряжения Uвx
и резистор Rб, в коллекторной цепи - источник постоянного напряжения Ек и резистор
Rк. Изменяя входное напряжения Uвx, можно управлять током коллектора Iк и,
следовательно, напряжением на выходе транзисторного ключа Uвых.
Статический режим
Ключевая cxема в статическом режиме описывается статической передаточной
характеристикой Uвых = f(Uвх), представленной на рис.2.
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 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 Uвых = Eк - Iкбо Rк ~ Eк (1)
близко к напряжению питания Ек.
Активная область
Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания
транзистора Uотп, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную
область. Выходное напряжение определяется соотношением
UВЫХ=Ек–Iк*Rк=Ек–B*Iботп*Rк, (2)
где В - коэффициент усиления базового тока, а
Iботп = (Uвх – Uотп) / Rб (3)
отпирающий базовый ток.
Область насыщения
При достаточно большом положительном напряжении Uвх, когда выполняется условие
насыщения транзистора В*Iботп ≥Iкн, (4)
транзистор входит в режим насыщения (режим двойной инжекции), что соответствует
замкнутому состоянию ключа. В режиме насыщения напряжение на коллекторе
транзистора мало (Uост = 0,05..0,1 В), а ток насыщения коллектора определяется
формулой Iкн = (Eк – Uост) / Rк ≈Eк / Rк (5)
На границе насыщения напряжение на коллекторном переходе транзистора Uбк = 0; при S > 1 коллекторный переход смещается в прямом направлении (Uбк > 0).
При ступенчатом изменении входного напряжения в схеме ключа происходят переходные
процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами:
tз - задержка фронта;
tфp - время фронта,
tн - время накопления избыточного заряда;
tp - время рассасывания избыточного заряда;
tcp - время среза.
Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении
входного сигнала показаны на рис.3.
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 то-
ки 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 ср. Процесс накопления заряда заканчивается через время tн= 3*ср, которое называют временем накопления, при достижении величины заряда Q = Iботп*ср.
Ключ на биполярном транзисторе.
|
|
|
|
Uкв , В |
|
0 |
7,38 |
-0,05 |
7,42 |
|
0,5 |
7,02 |
0,6 |
6,56 |
|
0,8 |
4,72 |
33,5 |
1,67 |
|
0,9 |
3,82 |
34,6 |
1,43 |
|
1 |
2,76 |
36,7 |
1,18 |
|
1,5 |
0,21 |
43 |
0,17 |
|
2 |
0,14 |
56,4 |
-0,56 |
|
2,5 |
0,11 |
78,6 |
-0,59 |
|
3 |
0,1 |
100,7 |
-0,6 |
|
3,5 |
0,09 |
122,3 |
-0,6 |
|
4 |
0,09 |
143,8 |
-0,6 |
|
4,5 |
0,09 |
165,5 |
-0,6 |
|
5 |
0,09 |
197 |
-0,6 |
,
,
В
,
Uвых=f(Uвх)
Iвх=f(Uвх)
Uкв=f(Uвх)
Расчёты в Spice
Статическая передаточная характеристика
mod 2_2
R1 1 2 1k
Rk 4 3 1k
Vsupl 4 0 5V
Ql 3 2 0 kluc
.model kluc NPN(IS=1.e-13 BF=200 BR=5 VAF=74 VAR=30
+ RB=230 RE=15 RC=2
+ CJE=1pF CJC=3pF TF=12.e-9 TR=7.e-8)
Vin 1 0 0
.DC Vin 0 5 0.1
.PROBE
.end
Динамическая переходная характеристика
mod2_22
R1 1 2 1k
Rk 4 3 1k
Vsupl 4 0 5V
Q1 3 2 0 kluc
.model kluc NPN(IS=1.e-13 BF=200 BR=5 VAF=74 VAR=38
+ RB=238 RE=15 RC=2
+ CJE=1pF CJC=3pF TF=12.e-9 TR=7.e-8)
Vin 1 0 PULSE(0V 5V 1us 10ns 10ns 100us 200us)
.TRAN 0.3us 1.8us
.PROBE
.end
Симметричный триггер.
Краткие теоретические сведения
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 УТ1 и УТ2. Выход одного усилителя соединен со входом
другого и наоборот. Таким образам образуется положительная обратная связь.
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
УТ2. Как только напряжение на базе УТ2 достигнет уровня отпирания появится
Конденсаторы включены для ускорения процесса переключения и называются
ускоряющими. Они также обеспечивают четкость процесса переключения.
Процесс переключения триггера удобно описывать с помощью
передаточных характеристик (см рис.). Состояния равновесия находятся в точках
пересечения передаточных характеристик (1,2, 3), причем точка 2 не является устойчивой
(см. выше).
Пусть на вход 1 подан запирающий сигнал. Процесс переключения триггера можно
разбить на несколько этапов (см. рис. 3):
Стадия подготовки начинается в момент подачи на вход импульса и включает в
себя время рассасывания избыточных носителей в базе VТ1 (tР) и формирования на
коллекторе VТ1 отрицательного фронта (tП), на котором VТ1 работает уже в активном
режиме и ток IK1 уменьшается а UK1 растет. Этот перепад напряжения передается через
конденсатор на базу VТ2 и, когда потенциал Uб2 компенсирует начальное смещение,
транзистор VТ2 открывается.
Стадия регенерации (tРЕГ) 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 (tФ+), отрицательного фронта на коллекторе
VТ1 (tФ-), и этапа динамического смещения (tД.С.), на котором потенциал базы
закрывшегося VТ1 уменьшается до статического Uб0.
Таблица данных
|
|
"10" |
"00" |
"01" |
"00" |
"11" |
|
Vб3 |
3,26 |
3,07 |
0,76 |
0,69 |
1,129 |
|
Vэ2-3 |
2,59 |
2,34 |
2,29 |
2,02 |
3,88 |
|
Vк2 |
11,11 |
11,9 |
2,33 |
2,11 |
3,94 |
|
Vк3 |
2,03 |
2,47 |
11,23 |
11,21 |
3,93 |
|
Vб2 |
0,852 |
0,801 |
2,97 |
2,74 |
1,36 |
|
I |
0,89 |
0,49 |
0,81 |
0,839 |
0,255 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uкэ2 |
8,52 |
9,56 |
0,04 |
0,09 |
0,06 |
|
Uкэ3 |
-0,56 |
0,13 |
8,94 |
9,19 |
0,05 |
|
Uбк2 |
-10,258 |
-11,099 |
0,64 |
0,63 |
-2,58 |
|
Uбк3 |
1,23 |
0,6 |
-10,47 |
-10,52 |
-2,801 |
|
Uбз2 |
-1,738 |
-1,539 |
0,68 |
0,72 |
-2,52 |
|
Uбэ3 |
0,67 |
0,73 |
-1,53 |
-1,33 |
-2,751 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Режимы |
|
|
|
|
|
|
2 |
отсечка |
отсечка |
насыщение |
насыщение |
отсечка |
|
3 |
насыщение |
насыщение |
отсечка |
отсечка |
отсечка |