ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ

РАБОТА 1.

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить характеристики ключевых схем на биполярных транзисторах и базовых схем логических элементов ТТЛ, используя возможности программы MC8DEMO.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ КЛЮЧЕЙ

СТАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРАХ

Роль коммутирующего ключевого элемента в ключах рис.1,2 играет выходной транзистор, который в статических состояниях находится либо в режиме отсечки (пропускает минимальный остаточный ток, близкий к нулевому), либо в режиме насыщения (на нем падает минимальное остаточное напряжение, близкое к нулевому), и только при смене состояний он в течение некоторого времени находится в активной области.

Остаточный ток и остаточное напряжение являются главными статическими параметрами ключа.

В запертом состоянии ключа рис.1, строго говоря, должно выполняться условие U_вх < 0. В этом случае эмиттерный и коллекторный p-n переходы транзистора смещены в обратном направлении. Однако кремниевый p-n переход остается запертым и при положительном напряжении, если U_вх < U₀ (U₀ 0,7В – напряжение на открытом p-n переходе, которое считают напряжением отпирания p-n перехода). При этом токи всех трех выводов транзистора обычно не превышают долей микроампера. Простейшей моделью (схемой замещения) запертого кремниевого транзистора является разрыв всех его выводов (рис.3,а).

В данной лабораторной работе исследуются ключи на кремниевых транзисторах, поэтому токи запертого транзистора в последующем изложении считаются нулевыми.

В режиме насыщения транзистора оба p-n перехода смещены в прямом направлении. В таком случае напряжение U_бэ U₀, а остаточное напряжение между коллектором и эмиттером U_кн = U_р + I_кн r_к, где U_р – разность напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах; I_кн - ток коллектора; r_к - сопротивление коллекторного слоя. Обычно полное остаточное напряжение U_кн составляет 50-100 мВ, что много меньше напряжения E_к, поэтому в последующем изложении остаточное напряжение U_кн считается нулевым. В таком случае простейшей моделью (схемой замещения) насыщенного кремниевого транзистора является схема рис.3,б. Резистор r_б учитывает сопротивление открытого эмиттерного p-n перехода.

В состоянии нормального активного усиления эмиттерный p-n переход открыт, а коллектрный – смещен в обратном направлении (в состоянии инверсного усиления – наоборот). Простейшая модель транзистора в режиме усиления представлена на рис.3.в. Усилительные свойства транзистора учитываются включением между коллектором и эмиттером зависимого генератора тока BI_б . Напряжение на открытом эмиттерном переходе учитывается включением между базой и эмиттером транзистора генератора эдс U₀.

Для определения статических токов и напряжений в ключах рис.1,2 можно использовать простейшие модели транзисторов, приведенные на рис.3, в соответствии с рабочими режимами транзисторов.

Для схемы рис.1 при использовании соответствующей схемы замещения имеем:

(1)

Минимальный базовый ток, который требуется для насыщения (граничный режим между насыщенным и активным), находится по известному значению коллекторного тока I_кн:

(2)

Глубина насыщения транзистора (коэффициент насыщения s) характеризуется отношением реального тока I_б к минимальному току базы, который требуется для насыщения:

(3)

Из (1) и (2) можно определить минимальное напряжение U_вх, которое требуется для насыщения, положив I_б = I_бн:

(4)

При подключении нагрузки к выходу ключа статические уровни выходного напряжения изменяются. В цифровых схемах ключ, как правило, нагружает входная цепь другого ключа такого же типа (или несколько одинаковых ключей), как показано на рис. 4. Такая нагрузка практически не влияет на режим насыщенного транзистора, так как входы внешних ключей при этом имеют потенциал, практически равный нулевому, транзисторы внешних ключей закрыты, входной ток в них отсутствует, составляющая тока нагрузки в анализируемом ключе тоже отсутствует.

Нагрузка, подключаемая по схеме рис.4, влияет на режим закрытого транзистора. В этом случае на выходе анализируемого ключа высокий уровень напряжения – внешние ключи открыты. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки R_н, включенным между коллектором и эмиттером закрытого транзистора. Ток нагрузки (вытекающий из ключа), который протекает через резистор R_к, понижает уровень выходного напряжения в анализируемом ключе. Он теперь равен

(5)

Для интегральных логических элементов, в которых используются биполярные насыщенные транзисторы, характерна схема ключа (инвертора) с управляющим (коммутирующим) входным транзистором (рис.2). В элементах ТТЛ для расширения логических возможностей входной транзистор Т1 делается многоэмиттерным (в таком случае схема реализует логическую операцию И-НЕ).

Управляющее напряжение в ключе рис.2 однополярное (положительное). При условии, что напряжение есть выходное напряжение другого ключа такого же типа, оно может изменяться от до В ключе рис.2 в отличие от ключа рис.1 токи выходного транзистора Т2 в статических состояниях от напряжения практически не зависят.

При транзистор Т1 находится в насыщенном состоянии, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении (потенциал базы транзистора Т1 выше потенциала его эмиттера и коллектора, т.к. , а ). Для насыщенного транзистора Т1 имеем , тогда < , поэтому транзистор Т2 закрыт и Ток базы транзистора Т2 при этом отсутствует. Вытекающий ток замыкается через источник управляющего напряжения и задается резистором :

(6)

Если , транзистор Т1 находится в статическом состоянии инверсного усиления, т.к. его эмиттерный переход смещен в обратном направлении (потенциал эмиттера Т1 выше потенциала базы, т.к. , а ), а его коллекторный переход – в прямом ( > ). В режиме инверсного усиления “нормальный” коллектор Т1 фактически является эмиттером, “нормальный” эмиттер – коллектором, поэтому в данном случае (ток - вытекающий, а токи и - втекающие). Из-за существенной асимметрии структуры транзистора коэффициент передачи тока базы в режиме инверсного усиления мал ( << 1), поэтому втекающий ток тоже мал (), а вытекающий ток практически равен току :

. (7)

Для насыщения транзистора Т2 требуется, чтобы (s > 1).

Влияние нагрузки на работу ключа рис.2 рассмотрим при условии, что нагружают анализируемый ключ один или несколько ключей такого же типа, рис.5. Анализ показывает, что на режим работы ключа, когда транзистор Т2 закрыт, нагрузка практически не влияет, т.к. все входные транзисторы внешних ключей нагрузки имеют на эмиттерах высокий потенциал и работают в режиме инверсного усиления с весьма малыми входными токами, которые практически не нагружают анализируемый ключ.

В состоянии, когда транзистор Т2 насыщен, входные транзисторы внешних ключей также насыщены, вытекающие эмиттерные токи внешних ключей в сумме образуют дополнительную составляющую коллекторного тока транзистора Т2, обусловленную нагрузкой. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки , включенным параллельно резистору . Коэффициент насыщения нагруженного ключа меньше, чем у не нагруженного (s_н < s). Если сопротивление слишком мало, открытый транзистор Т2 работает в активном режиме при соответствующем увеличении уровня выходного напряжения.

ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРАХ

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой входных переключающих сигналов. Быстродействие зависит от общей длительности переходного процесса, обусловленной двумя факторами: собственной инерционностью ключевого транзистора (конечной скоростью изменения заряда в базе) и влиянием паразитных параметров (конечной скоростью изменения напряжения на барьерных и паразитных емкостях).

Переходный процесс переключения транзистора из запертого состояния в насыщенное содержит три стадии: задержки отпирания эмиттерного перехода, формирования фронта включения, накопление заряда в базе.

Задержка отпирания транзистора равна времени заряда барьерных емкостей до напряжения отпирания транзистора U₀. Практически задержка проявляется в сдвиге фронта включения относительно фронта входного отпирающего сигнала (импульса). В большинстве практических случаев задержка отпирания невелика и существенно меньше длительности фронта включения.

Формирование фронта включения начинается с появления ступеньки базового тока вследствие отпирания эмиттерного перехода. В насыщенных ключах ступенька тока достаточна для последующего насыщения транзистора: > .

Если пренебречь влиянием емкостей на переходный процесс, поведение ключа на стадии формирования фронта включения непосредственно обусловлено процессом изменения заряда неосновных носителей в базе транзистора, который описывается уравнением:

(8)

где - время переноса заряда через базу в нормальном режиме (время жизни неосновных носителей в базе), которое проявляется как постоянная времени переходной характеристики транзистора.

Формирование фронта включения происходит при существовании активного режима работы пока выполняется условие < . Окончание фронта включения соответствует моменту, когда заряд становится равным .

В общем случае, когда нужно учитывать влияние емкости коллекторного перехода и емкости нагрузки , при анализе вместо следует пользоваться эквивалентной постоянной времени :

(9)

Длительность фронта включения рассчитывается по формуле

(10)

Для схемы рис.1 ток рассчитывается по (1), для схемы рис.2 = и рассчитывается по (7).

Если условие насыщения не выполняется ( ), для определения времени включения следует использовать формулу

. (10а)

Накопление заряда в базе происходит уже в насыщенном транзисторе. Начиная с момента , все три внешних тока транзистора не меняются. Однако заряд в базе продолжает нарастать по экспоненциальному закону, и этот процесс заканчивается лишь через время , которое называют временем накопления. Значение может существенно отличаться от величины ( < ), поскольку распределение носителей в базе при насыщении отличается от распределения при нормальном активном режиме.

Процесс переключения транзистора из насыщенного состояния в запертое содержит две стадии: рассасывание избыточного заряда и формирование фронта выключения.

Рассасывание избыточного заряда проявляется внешне как задержка начала фронта выключения относительно выключающего (отрицательного) перепада входного сигнала. На стадии рассасывания транзистор остается насыщенным, концентрация заряда в базе остается выше равновесной концентрации, и оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом напряжение U_бэ = U₀ = 0,7 В. Поэтому при установлении запирающего входного напряжения U_вх < U₀ возникает отрицательный входной ток , обусловленный наличием в базе избыточного заряда. Ток вытекает из базы, т.к. потенциал базы выше потенциала входа. Величина этого тока:

. (11)

Отрицательный ток означает “отсос” заряда из базы, поэтому он начинает уменьшаться, и при = стадия рассасывания заканчивается.

Анализ функции изменения заряда дает формулу для определения времени рассасывания:

, (12)

в которой для схемы рис.1 ток рассчитывается по (1), а ток - по (11). Формула (12) получена для случая, когда отпирающий сигнал - длинный, а ток существенно меньше тока .

Для схемы рис.2 = и рассчитывается по (7). Ток = в этой схеме замыкается далее через насыщенный транзистор Т1 и источник управляющего напряжения. Резисторов в этой цепи нет. Ток в этом случае определяется внутренним сопротивлением насыщенных транзисторов Т2 и Т1:

, (13)

где R_г, r_к1, r_б2 - соответственно сопротивление источника U_вх, насыщенных транзисторов Т1 и Т2.

Если перед подачей запирающего сигнала транзистор в ключе не насыщен, то t_р = 0.

Формирование фронта выключения начинается в момент времени, когда Q(t)=Q_гр. Если емкостями С_к, С_н можно пренебречь, заряд в базе меняется по тому же закону, что и на предыдущей стадии рассасывания. Но величина заряда не может достигать отрицательного асимптотического значения , так как заряд неосновных носителей в базе знак изменить не может. Поэтому процесс формирования фронта выключения заканчивается, когда Q(t)=0. В таком случае при запирающих токах, существенно меньших, чем ток насыщения, можно получить:

(14)

Ток для ключей рис.1,2 рассчитывается соответственно по формулам (11),(13).

На практике часто запирающий ток сравним с током насыщения. Физика процессов выключения в этом случае сложнее из-за усложнения формы распределения носителей в базе. При больших запирающих токах I_кн выключению соответствует так называемый режим динамической отсечки, когда и эмиттерный и колекторный переходы работают при обратном смещении, но из-за наличия некоторого остаточного заряда в базе все три тока транзистора имеют конечные зачения (не равны нулю) и спадают до нуля с постоянной времени отсечки, равной , значительно меньшей . В таком случае длительность выключения коллекторного тока составляет величину:

; (15)

ток спадает очень быстро.

В то же время длительность фронта выключения напряжения при наличии емкостной нагрузки C_к (C_н >C_к) может быть существенно больше, чем длительность выключения тока, и составляет

(16)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: