5. Рабочее задание

5.1. Исследовать ключевую схему на биполярном транзисторе

Подключить один вход двухлучевого осциллографа к входному сигналу подаваемого на схему ключа (гнездо 1), другой к его выходу (гнездо 3), рис. 1.13а)).

Переключатель SA3 установить в положение SA3-1. Наблюдать временные зависимости (осциллограммы) указанных напря-жений схемы ключа.

5.1.1. Исследовать влияние величины входного сигнала на режим работы транзисторного ключа без ускоряющих элементов.

Ключи SA1 и SA2 разомкнуть (SA3 в положении SA3-1). Изменяя величину сопротивления резистора от максимального до минимального значений, наблюдать различные режимы работы транзистора: активный, граничный (переход из активного режима в насыщение) и насыщения. Граница между активным режимом и режимом насыщения определяется в тот момент, когда значение выходного напряжения ключа близко к нулю и практически не меняется при дальнейшем увеличении тока базы (уменьшением ). А при дальнейшем увеличении тока базы происходит уменьшение длительностей фронтов выходного импульса.

Зарисовать осциллограммы входного и выходных напряжений для наблюдаемых режимов работы транзистора.

Для граничного режима и режима насыщения транзистора измерить их значения токов: базового тока (по амплитуде импульсного сигнала) и коллекторного тока (по изменению уровня постоянного напряжения). Измерения проводятся при двух разных положениях переключателя на лицевой панели осциллографа при подключении его входа к выходу ОУ (гнездо 5).

Для измерения тока базы , гнездо 2, перемычкой, соединить с гнездом 4 измерительного устройства, а для измерения коллекторного тока , гнездо 3 соединить с гнездом 4. Все измерения проводятся согласно п. 3.2. методических указаний.

Развернуть осциллографом наблюдаемую последовательность выходных импульсов до одиночного импульса и измерить длительности его фронтов: нарастания ( ), среза ( ) и рассасывания .

Время рассасывания приводит к задержке фронта среза ( ), и тогда можно определить как время задержки начала времени среза выходного сигнала по уровню .

5.1.2. Исследование повышения быстродействия ключа при граничном режиме ( ) и при режиме насыщения ( ) проводится в двух направлениях:

- включением ускоряющего конденсатора в цепь базы;

- включением нелинейной отрицательной обратной связи.

а) с ускоряющим конденсатором в цепи базы

Ключ SA1 замкнуть, а SA2 разомкнуть. По осциллограммам выходного напряжения измерить осциллографом длительности фронтов ( ), ( ) и время рассасывания .

б) с нелинейной обратной связью

Ключ SA2 замкнуть, а SA1 разомкнуть. По осциллограммам выходного напряжения измерить длительности фронтов ( ), ( ) и время рассасывания .

5.1.3. Результаты измерений п. 5.1.1, 5.1.2 занести в табл. 1.3.

5.1.4. Исследовать влияние характера нагрузки на работу ключа в режиме насыщения.

Ключи SA1 и SA2 разомкнуть, установить .

Переключая ключ SA3 в положения 2 и 3, зарисовать осциллограммы на выходе схемы (клема 3): с омической и ёмкостной нагрузками. По осциллограммам измерить амплитуду и длительности фронтов ( ), ( ) и .

Результаты измерений занести в табл. 1.4.

Таблица 1.3

Режим работы	мА	t, мкс	Без ускоряю-щих элеметов VD2 и	С ускоряющим конденсатором	С нелинейной обратной связью VD2
Граничный режим	/
Режим насыщения	/
		UВЫХ, В

Таблица 1.4

Вид нагрузки	UВЫХ, В	, мкС	, мкС	, мкС
При
При

Часть третья

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ EWB

1. Включить компьютер и после загрузки Windows запустить программу Electronics Workbench PRO ( далее EWB ), для чего дважды щёлкнуть левой кнопкой мыши по ярлыку. Предупреждение:

а) при выключении программы и при переходе от одного файла к другому на вопрос: «Сохранить ли изменения в схеме?» следует обязательно отвечать «Нет»;

б) при загрузке файла со схемой на вопрос об используемых моделях компонентов следует отвечать «Использовать схемные модели», то есть нажать кнопку “Use circuit model”.

2 . В окне программы .EWB, используя меню “File-open”, найти на диске C папку “Lab.l” и загрузить файл “Switch1” (рис. 1.14). Это будет принципиальная схема электронного ключа на биполярном транзисторе.

3. Дважды щёлкнуть левой кнопкой мы

биполярном транзисторе. В открывшемся окне нажать на кнопку “Edit”. Ознакомиться с параметрами используемого транзистора и записать значения следующих необходимых для дальнейшей работы параметров:

а) коэффициент передачи тока базы, β (Forward current gain coefficient [BF]);

б) коэффициент передачи тока базы при инверсном включении транзистора, β_I (Reverse current gain coefficient [BR]);

в) ёмкость коллекторного перехода при нулевом напряжении, С_К [Ф] (Zero-bias B-C junction capacitance [C_C]);

г) время переноса заряда через базу, [C] (Forward transit time [τF]);

д) время переноса заряда через базу при инверсном включении транзистора, [C] (Reverse transit time [τR]);

Свернуть окно параметров транзистора нажатием на кнопку “Accept”.

4. В схеме ключа на биполярном транзисторе (рис. 1.14) развернуть основной измерительный прибор – двухлучевой осциллограф, дважды щёлкнув левой кнопкой мыши на нём. После этого дополнительно нажать кнопку “Zoom”. Запустить схему (включить программу моделирования) нажатием кнопки «Пуск».

С помощью вертикальных линий визиров провести следующие измерения (рис. 1.15):

а) измерить высокий и низкий уровни входного управляющего напряжения и ( и соответственно). Записать полученные значения;

б) измерить высокий и низкий уровни напряжения на выходе ключа и ( и ).

Напоминание: красной визирной линии соответствует левая прямоугольная область значений, причём показание Т1 определяет момент времени, соответствующий положению визирной линии на экране осциллографа; а показания VA1 и VB1 определяют соответственно значения напряжений канала А и канала В в указанный момент времени;

в) измерить основные временные характеристики переходного процесса: U_ВЫХ(t) при включении и выключении транзисторного ключа; длительность фронта импульса ( ), длительность среза импульса ( ) и длительность задержки выключения ключа (время рассасывания избыточного заряда в области базы транзистора).

На рис. 1.15 в качестве примера показано измерение длительности с помощью двух вертикальных линий визиров. При этом показание Т2-Т1 в правой прямоугольной области даёт искомое значение ;

г) измерить длительность выходного импульса по уровню 0,5 от амплитуды импульсного сигнала;

д) зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов ключа.

5. Используя параметры транзистора и номиналы элементов схемы ключа, определить следующие величины:

- ток базы включения;

- ток базы выключения;

- ток коллектора насыщения;

- ток базы насыщения;

S - степень насыщения транзистора;

- длительность фронта импульса;

- длительность среза импульса;

- длительность задержки выключения (рассасывания);

где .

Сравнить полученные в результате измерений значения ,

и с рассчитанными величинами.

Замечание: п. 5 выполняется при оформлении отчёта.

6. Исследовать в лабораторной работе влияние базового тока включения и выключения на длительности включения и выключения ключа. Для чего следует в схеме на рис.1.14 изменить значение базового резистора. Используя клавишу [R] на клавиатуре компьютера, установить для R_Б значение 10%, то есть R_Б=1,5 кОм. При этом токи и увеличиваются примерно в 5 раз.

Проведите новые измерения , и , сравните их с предыдущими значениями.

Сформулируйте выводы о влиянии и на длительность переходных процессов. Сделать и записать выводы в отчёт по лабораторной работе.

7. Используя меню “File-Open”, загрузить файл “Switch2”. Это ключ с нелинейной обратной связью (рис.1.16). Параметры диода в цепи обратной связи определяем в открывшемся окне после нажатия на кнопку “Edit”:

а) теоретический обратный ток диода, I₀ [A] (Saturation current [Is]);

б) барьерная ёмкость при нулевом смещении на переходе, С_БАР [Ф] (Zero-bias junction capacitance [CJ0]);

в) время переноса заряда, τ [C] (Transit time [TT]).

Для того чтобы «обычный» выпрямительный диод превратить в диод Шоттки (с переходом металл-полупроводник), падение напряжения на прямосмещённом переходе было уменьшено до величины (0,35-0,40) В. Для этого параметр диода - теоретический обратный ток I₀ был увеличен на (5-6) порядков по сравнению с обычным значением для кремниевого р-п перехода ( ). Для увеличения быстродействия диода были уменьшены время переноса заряда τ и величина барьерной ёмкости С_БАР.

Свернув окно параметров, переключатель в схеме на рис. 1.16 установить в разомкнутое состояние, воспользовавшись клавишей [1]. Запустить процесс моделирования и измерить с помощью осциллографа и . Это будут параметры в схеме с отсутствием нелинейной обратной связи.

Далее переключатель в схеме на рис. 1.16 установить в замкнутое состояние, то есть включить цепь нелинейной отрицательной обратной связи. Снова запустить процесс моделирования и измерить значения и .

Сравнить с предыдущими значениями эти параметры. Сделать и записать выводы в отчёт по лабораторной работе.

8. Используя меню “File-Open”, загрузить файл “Switch3” (рис. 1.17). Это схема переключателя тока на двух транзисторах.

Запустить процесс моделирования и измерить с помощью осциллографа уровни напряжений на входе и ( и соответственно) и на выходе и .

О братить внимание на полярности указанных уровней.

Далее с помощью двух вертикальных линий визиров измерить времена и . Обратить внимание на отсутствие времени задержки выключения. Объяснить указанный эффект.

З аписать показания амперметра, которые соответствуют среднему значению потребляемого тока схемой переключателя за период его работы от источника питания. Сформулируйте выводы по полученным результатам.

9. Используя меню “File-Open”, загрузить файл “Switch4”. Это будет схема ключа на комплементарных МДП-транзисторах ( рис. 1.18).

Дважды щёлкнуть левой кнопкой мыши на МДП-транзис-торе. В открывшемся окне нажать “Edit”. Ознакомиться с параметрами используемых транзисторов и записать значения следующих параметров:

а) максимальная крутизна проходной вольт-амперной характеристики S, мА/В (Transconductance coefficient [β]);

б) напряжение отсечки (пороговое напряжение для МДП-транзисторов с индуцированным каналом) U₀, В (Threshold voltage [VT0]);

в) ёмкость затвор-исток С_ЗИ, Ф (Zero-bias gate-source junction capacitance [Cgs]);

г) ёмкость затвор-сток С_ЗС, Ф (Zero-bias gate-drain junction capacitance [Cgd]).

10. Запустить процесс моделирования и измерить с помощью осциллографа уровни напряжений на входе и ( и соответственно) и на выходе и . Далее с помощью двух вертикальных линий визиров измерить времена и . Зарисовать осциллограммы напряжений U_ВХ(t) и U_ВЫХ(t).

При помощи дополнительного резистора (1 кОм), включённого в цепь питания, и вольтметра определить величину тока, потребляемого ключом от источника питания: , где U – показания вольтметра.

Изменить частоту переключения в 2 раза, для чего щёлкнуть два раза на изображении задающего генератора и на открывшейся лицевой панели генератора установить в два раза большую частоту. Снова определить ток потребления ( ).

Изменить частоту переключений в 5 раз по отношению к исходному значению и ещё раз определить величину тока потребления .

Убедиться в линейной зависимости тока потребления от частоты переключений ключа.

Сравнить токи, потребляемые ключами на рис. 1.17 и 1.18. Объяснить различие и сделать выводы.

Для разных частот работы схемы ключа рассчитать потребляемую мощность согласно выражению: ,

где f – значение частоты переключения;

C_Н – значение ёмкости на выходе схемы (нагрузки).

Оформленный отчёт по работе должен содержать все исследованные схемы ключей, основные осциллограммы, иллюстрирующие работу ключей, параметры активных элементов, необходимые расчёты, указанные выше, и выводы по каждой схеме электронных ключей.