Tsimbalist_E_I_Silushkin_S_V_--_Issledovanie_analogovykh_skhem_v_programmno-apparatnoy_srede_NI_ELVIS_uchebnoe_posobie

ставляющая тока IК~ (рис. 5.24, а) и переменное выходное напряжение UВЫХ, связанное с током IК~ линией нагрузки по переменному току. При этом линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектора IК и напряжения на транзисторе UКЭ или, как говорят, перемещение рабочей точки. Рабочая точка перемещается вверх от точки покоя «П» по нагрузочной прямой переменного тока при положительной полуволне входного напряжения и вниз – при отрицательной полуволне. Очевидно, для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик, а при перемещении вниз – в область начальных токов коллектора IК0(Э) = IК0*. Работа каскада без искажений выходного сигнала достигается за счет обеспечения соответствующего значения входного сигнала и правильного выбора режима (точки) покоя.

Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям

(рис. 5.24, а):

UКЭП >UВЫХ max + UКЭ, IКП >IКmax+IК0(Э) max,

где UКЭ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора; IК0(Э) max – тепловой ток коллектора в схеме ОЭ, соответствующий мак-

симальной температуре.

Меняя положение рабочей точки за счет изменения напряжения регулируемого источника питания (Variable Power Supplies) рабочей станции NI ELVIS и изменяя значение входного напряжения с помощью функционального генератора (Function Generator FGEN), можно с помощью цифрового вольтметра (DMM) и осциллографа (Scope) провести анализ влияния режима покоя на параметры выходного сигнала.

Возможные геометрические построения в координатных осях выходных ВАХ транзистора иллюстрирует рис. 5.25.

Сопоставляя рис. 5.24 и 5.25, легко понять, что для рабочей точки П2 при увеличении входного сигнала произойдет сначала ограничение отрицательной полуволны выходного напряжения, а для П3 положительной.

Симметричного ограничения полуволн синусоиды, а значит и максимальной амплитуды выходного напряжения лучше всего достичь, если режим покоя характеризуется рабочей точкой П1.

101

IК

П1

П3

ЕК

Рис. 5.25. Различные положения рабочих точек на выходных ВАХ

Следует понять, что максимальная амплитуда отрицательной полуволны определяется максимальной разностью в координатах рабочей точки и остаточным напряжением транзистора ∆UКЭ (рис. 5.24, а). Максимальная амплитуда положительной полуволны определяется значениями тока покоя в рабочей точке и сопротивлением каскада по переменному току.

Таким образом, выбор расположения рабочей точки на выходных ВАХ транзистора и соответствующий расчет режима покоя на постоянном токе должен быть тесно увязан с требованиями, предъявляемыми к каскаду по переменному току.

Чтобы рассчитать параметры и характеристики усилительного каскада в линейном режиме на переменном токе, необходимо знать параметры транзистора в окрестности рабочей точки режима покоя.

На практике часто пользуются h-параметрами транзистора, которые характеризуют его как активный линейный четырехполюсник.

Расчет этих параметров по конечным приращениям токов и напряжений вблизи рабочей точки транзистора для схемы ОЭ (общий эмиттер) проводится следующим образом:

Параметры h11Э и h12Э схемы с ОЭ на семействе входных характеристик в рабочей точке А (обязательно указывайте координату рабочей точки) находят по формулам в соответствии со следующими графическими построениями (рис. 5.26):

102

Рис. 5.26. Графические построения для определения h-параметров

В рабочей точке А на выходных характеристиках, например, так определяют параметры h21Э и h22Э:

При исследовании биполярного транзистора в усилительном режиме следует уяснить, что это управляемый нелинейный элемент, у которого изменение входного тока (базы) приводит к изменениям выходного тока (коллектора или эмиттера). Кроме того, биполярный транзистор является усилительным элементом, т. е. мощность, выделяемая в выходной цепи существенно больше мощности во входной цепи. Это происходит за счет энергии источников питания.

Ключевые режимы работы

К этим режимам относятся режим отсечки и режим насыщения биполярного транзистора. Первый реализуется, когда оба перехода транзистора закрыты, т. е. находятся в обратном включении, а второй когда переходы открыты.

103

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. Главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме замыкание и размыкание цепи, его усилительные свойства в этом режиме отсутствуют. Разомкнутому состоянию ключа соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), а замкнутому режим насыщения (транзистор открыт).

Ключевой каскад содержит источник питающего напряжения, нагрузочный (в простейшем случае резистор R) и ключевые элементы. При одном состоянии ключевого элемента ток в цепи нагрузки минимален, при другом принимает максимальное значение. Электронный ключ можно считать известной аналогией механического ключа (см.

рис. 5.27).

Ключ К замыкается и размыкается под действием внешней силы Р. Сопротивление идеального ключа в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом бесконечности, то есть его вольт-амперная характеристика (ВАХ) совпадает с осями координат (рис. 5.28). В действительности даже механический ключ (рубильник, выключатель) является неидеальным. Он имеет сопротивление r во включенном и конечное сопротивление утечки R в выключенном состоянии.

ВАХ такого ключа уже не совпадает с осями координат, а имеет угол наклона к осям (рис. 5.29).

Существенным отличием электронных ключей является смещение их ВАХ относительно начала координат на величину IР и UЗ соответственно, где IР ток разомкнутого ключа остаточный ток, а UЗ падение напряжения остаточное напряжение в замкнутом состоянии ключа.

104

Рис. 5.31. Режимы РО и РН на ВАХ транзистора

Условие надежного запирания транзистора по модулю Eб имеет вид Rб (Eб IK0 max ), т. е. неравенство должно выполняться во всем диапазоне рабочих температур, включая и максимальную температуру tmax, при которой ток IК0 максимален и равен IК0 max.

Напряжение на нагрузке RК определяется как: UН IК0 RК . Так как значение IК0 мало, то им пренебрегают и можно считать, что UКЭ EК .

Рис. 5.32. Схема замещения ТК с транзистором в режиме отсечки

Практически обеспечить надежное запирание транзистора можно и в режиме неглубокой отсечки, когда Eб 0. Несмотря на то, что токи транзистора несколько возрастают, в первом приближении можно считать, что UКЭ EК . На выходной характеристике транзистора режиму

глубокой отсечки соответствует точка 1, а режиму неглубокой отсечки точка 2.

106

Приближенно значение токов на границе режима отсечки можно оценить как:

где коэффициент усиления передачи по току.

Теперь подадим положительное напряжение Eб . По мере увеличения напряжения транзистор отпирается и входит в усилительный режим. Начинает протекать базовый ток IБ 0 и пропорциональный ему коллекторный ток IK , а потенциал коллектора, соответственно, уменьшается. Ввиду того, что токи эмиттера и коллектора приблизительно равны (IK IЭ ), перенесем входную характеристику IЭ f UБЭ на

выходную: IК f UКЭ .

В точке 3 при токе базы IБ5 напряжения UКЭ и UБЭ становятся равными; инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению коллекторного тока и этот ток остается далее практически неизменным. Такой максимальный ток коллектора называют током насыщения и обозначают IКН . Соответственно и режим двойной инжекции, характерный для открытого состояния ключа, называют режимом насыщения транзистора. Ток насыщения IКН протекает через транзистор и резистор RК и равен:

IКН (EК UКН )RК ,

где UКН остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение UКН , являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. Поэтому в первом приближении, ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с EК , транзистор может быть

Рис. 5.33. Схема замещения ТК с транзистором в режиме насыщения

107

Расчет тока IКН для приведенной схемы (рис. 5.33) производится по приближенной формуле:

IКН EК RК .

Условие насыщения транзистора имеет вид:

IКН β IБ .

Оно определяется не значениями токов (как видно из формулы), а их соотношением и может иметь место при весьма малых токах (порядка микроампер и меньше).

Для простого ТК ток базы в режиме насыщения по закону Ома

IБ EБ RБ .

Подставляя токи базы и коллектора (IБ,IКН ) в условие насыщения, получим:

EK EБ ,

RK RБ

откуда

E

RБ EБ RK .

К

Это неравенство является критерием насыщения транзистора простейшего ТК.

Удобно иметь не только критерий насыщения, но и количественную характеристику «глубины» насыщения. Такой параметр называется степенью насыщения. Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом S, смысл которого состоит в следующем. Из условия насыщения IКН β IБ получаем, что для насыщения транзистора при заданном токе IКН достаточно создать ток базы IБH IКН . Этот ток называют базовым током насыщения. Естественно, что транзистор будет насыщен и при IБ IБH .

Отношение IБ IБH S и называют степенью насыщения транзистора или коэффициентом насыщения S.

Используя S и критерий насыщения для нашего простейшего ТК, получим:

RБ β E1 RК (S EК).

Обычно стараются обеспечить S от 1,5 до 3; при больших коэффициентах насыщения статические состояния ключа также обеспечиваются, однако при этом снижается быстродействие ключевого каскада.

108

Порядок выполнения работы

Получите ВАХ транзистора VT1

Пункт выполняется при утере информации о ВАХ транзистора, полученной в лабораторной работе № 1.

1. Соберите схему для снятия выходных ВАХ биполярного транзистора VT1 (рис. 5.34).

Рис. 5.34. Схема эксперимента для снятия выходных ВАХ транзистора

впрограммно-аппаратной среде NI ELVIS

2.В меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Threewire Current Voltage Analyzer (трехпроводной вольтамперный анализатор).

При получении выходных ВАХ транзистора необходимо задать количество кривых в характеристиках и следить за грамотным выбором пределов изменения выходного напряжения, чтобы не вызывать превышения токов коллектора по сравнению с обозначенными на виртуальной панели предельными значениями.

Сохраните данные выходных ВАХ транзистора в виде файла с целью дальнейшего использования и распечатки для отчета.

3.Соберите схемы для снятия входных ВАХ биполярного транзистора. Входные характеристики получайте для двух значений выходно-

го напряжения UКЭ 0 В (рис. 5.35, а) и UКЭ 5 В (рис. 5.35, б).

4. В меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Two-wire Current Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперный анализатор).

При снятии ВАХ обратите внимание на правильное взаимное расположение полученных характеристик.

109