Лабораторная работа №2
СИММЕТРИЧНЫЙ ТРИГГЕР I.
Краткое содержание работы
Вработе исследуются статические и динамические характеристики симметричного триггера на биполярных транзисторах.
Работа состоит из двух частей.
Впервой части изучается статический режим работы на постоянном токе, проверяется возможность триггера сохранять свое состояние длительное время, определяются уровни логической единицы и логического нуля.
Во второй части работы изучаются динамические характеристики триггера, исследуются формы сигналов на выходах триггера и их зависимость от параметров схемы.
II. 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.
Впринципе в такой схеме возможно состояние, когда оба транзистора открыты и пребывают в равновесии, однако на практике малейшая флуктуация тока или напряжения приведет к лавинообразному процессу закрытия одного транзистору и еще большему открытию другого.
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.
Водном 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
коллекторный ток 1^2 и, следовательно, уменьшится ток базы 1б1. УТ1 выйдет в активную область и будет восстановлена петля обратной связи. Возникающий при этом регенеративный процесс аналогичен описанному выше. В итоге УТ1 закроется, а УТ2 откроется и окажется в области насыщения. Триггер переедет в другое устойчивое состояние.
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.
III. Описание установки.
Работа выполняется на стенде в лаборатории микроэлектроники на блоке № 132.
На стенде кроме прочего имеются:
1.Блок для изучения симметричного триггера с двумя биполярными транзисторами
вкаждом плече.
2.Блок питания с двумя регулируемыми источниками постоянного напряжения -6...+6 В и нерегулируемыми источниками постоянного напряжения +5 В, +6.3 В, +12 В.
В состав установки также входят:
1.Два цифровых мультиметра для измерения постоянных напряжений в первой части работы.
2.Генератор сигналов прямоугольной формы (генератор импульсов).
3.Осциллограф.
На стенде собрана одна из схем симметричного триггера — схема с автоматическим смещением. Главным достоинством этой схемы является наличие только одного источника питания и высокая стабильность по отношению к изменению напряжения питания. К числу его недостатков можно отнести следующие:
1.выходное напряжение триггера на величину URЭ меньше, чем при постороннем смещении (RЭ=R6);
2.минимальный потенциал коллектора (при насыщении транзистора) не равен нулю, а составляет величину URЭ
3.схема требует двух дополнительных элементов: RЭ и СЭ, причем емкость СЭ весьма большая, а сопротивление RЭ бесполезно расходует мощность до 10% от всей рассеиваемой мощности.
Отметим некоторые особенности этой схемы. Роль э.д.с. смещения базы здесь
играет падение напряжения на RЭ, равное потенциалу насыщенного транзистора Ut. Если считать насыщенный транзистор одним узлом, то этот потенциал можно найти по формуле:
Повышенная стабильность данной схемы объясняется тем, что напряжение смещения Ut пропорционально ЕПИТ, тогда как в обычной схеме э,д.с. ЕБ и ЕПИТ независимы и при изменении одного из них нарушилась бы равновесие обратной связи. Работоспособность же такой схемы не ухудшается вплоть до ЕПИТ≈1В, однако при снижении ЕПИТ снижается и выходное напряжение.
В схему дополнительно введено по два транзистора в каждое плечо (VТ1 и VТ4) для работы в качестве управляющих.
Ниже описано назначение клемм, имеющихся на стенде: 4, 14 — вход левого и правого плеча соответственно;
7, 8 — контакты базы транзисторов обратной связи обоих плечей; 3, 13 — выходы;
5, 6 — клеммы, замыкаемые при подключении ускоряющего конденсатора; 12 — контакт питания + 12В; 0 — земля.
IV. Рабочее задание.
Часть I. Исследование статического режима работы триггера.
1. Собрать схему рис. 1, для чего:
а) подключить общий провод триггера (клемма 0) к общему проводу блока питания; б) подключить цепь обратной связи левого плеча триггере — соединить
клемму 13 и резистор К8; в) для питания триггера подключить источник питания постоянного
напряжения 12 В к клемме №12 блока.
г) подать на один из входов триггера логический 0 т.е. соединить этот вход триггера (контакт базового резистора; клемма 14) с общим проводом; д) подать на другой вход триггера логическую 1 т.е. соединить этот вход (клемма 4) с источником постоянного напряжения +6.3 В.
2.Измерить с помощью цифрового мультиметра статические режимы работы транзисторов, для чего:
а) соединить вход мультиметра "*" с общим проводом триггера (клемма 0); б) подключить сигнальный вход мультиметра к коллекторам транзисторов первого плеча и измерить напряжение на коллекторах (клемма 3); в) измерить напряжения на эмиттерах транзисторов первого плеча (клемма 11), а также на базе транзистора обратной связи первого плеча VТ2 до (клемма 13) и после (клемма 7) базового сопротивления R8.
г) повторить измерения пункта в) для транзисторов второго плеча;
3.По результатам измерений рассчитать режимы работы транзисторов обоих плеч: напряжения UКЭ, UБЭ, UБК и токи IБ транзисторов обратной связи.
Результаты занести в таблицу 1. Сделать вывод о режиме работы транзисторов каждого плеча.
II.Исследование динамических характеристик.
1.В схеме рис.1 произвести следующие переключения согласно рис. 2:
а) отсоединить источник постоянного напряжения +6.3 В от одного из входов триггера и подключить к этому входу генератор прямоугольных импульсов, причем амплитуду входных импульсов установить на 0В регулятором амплитуды выходного сигнала генератора.
б) установить на генераторе период, длительность импульсов и время задержки: период импульсов — 30 мкс, длительность импульса — 10 мкс, время задержки — по 20 мкс. Таким образом сигнал на входе триггера должен представлять из себя последовательность прямоугольных импульсов с длительностью, примерно в два раза меньше, чем задержка между ними.
в) второй вход триггера оставить подсоединенным к общему проводу.
2. Наблюдение импульсов на экране осциллографа.
а) включить генератор импульсов в сеть и, установив переключатель входа осциллографа на "-^" либо замкнув провода входа осциллографа между собой, установить с помощью ручки "О" линию развертки на середину экрана осциллографа, а затем вернуть переключатель входа в положение "≈".
б) подключить ко входу, на который подается сигнал с генератора импульсов, осциллограф и плавно увеличивая амплитуду сигнала на входе добиться на осциллографе устойчивого изображения входного сигнала (с помощью рукояток частоты развертки и синхронизации). Увеличить амплитуду входного сигнала до уровня + 6.3 В. Зарисовать входной сигнал и записать частоту развертки (время на деление) и усиление (вольт на деление). в) переключить осциллограф на коллекторы транзисторов того же плеча (клемма 3) и убедиться в присутствии импульсов достаточной амплитуды, т.е. правильной работе триггера. Зарисовать форму сигнала с учетом частоты развертки и усиления.
г) переключить осциллограф на базу транзистора противоположного плеча (клемма 8) и убедиться в присутствии импульсов на втором плече триггера. Зарисовать форму сигнала с учетам частоты развертки и усиления. д) переключить осциллограф на коллекторы транзисторов того плеча, вход которого подключен к общему проводу (клемма 13) и убедиться в присутствии импульсов такой же, как и на первом плече амплитуды, т.е. правильной работе триггера. Убедиться в том, что уровень логического 0 остается на выходе этого плеча даже после снятия уровня логической 1 с первого входа, т.е. в способности триггера "запоминать" свое состояние. Зарисовать форму сигнала с учетом частоты развертки и усиления. е) подключить между базой правого транзистора и коллектором левого ускоряющий конденсатор С1 : т.е. соединить клеммы 5 и 6. Проследить за влиянием его на форму импульса, время задержки и фронтов. Зарисовать форму сигнала с учетом частоты развертки и усиления.
V. Требования к технике безопасности
При выполнении данной работы требуется руководствоваться положениями "Инструкции по технике безопасности при выполнении лабораторных работ на кафедре ЭиЭ".
VI. Требования к отчету
Отчет по лабораторной работе должен содержать краткие теоретические сведения по теме работы, чертежи схем, используемых в работе, заполненные таблицы с результатами работы и графики формы сигналов, выполненные на миллиметровой бумаге.
Отчет по лабораторной работе выполняется каждым студентом самостоятельно во внеаудиторное время до начала лабораторного занятия.
