Лабник - Транзисторные ключи (ЛР-сб-КЛЮЧИ-исп)

Посмотреть архив целиком

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_____________________________________

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

_______________________________________________________________



И. А. КАРЕТНИКОВ, А. К. СОЛОВЬЕВ, Н. А. ЧАРЫКОВ


ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ


Лабораторные работы № 1 – 5



Методическое пособие

по курсу

"Электронные цепи и микросхемотехника"


для студентов, обучающихся по направлению

"Электроника и микроэлектроника"











МОСКВА Издательство МЭИ 2004

УДК

621.396

К 227

УДК 621.396.64.049.77 (076.5)


Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники МЭИ




Рецензенты: докт. техн. наук, профессор А.П. Лысенко,

канд. техн. наук, доцент Е.Е. Чаплыгин





Каретников И.А., Соловьев А.К., Чарыков Н.А.

Транзисторные ключи. Лабораторные работы № 1 – 5: Методическое пособие по курсу " Электронные цепи и микросхемотехника" для студентов, обучающихся по направлению "Электроника и микроэлектроника" / Под ред. И.А. Каретникова – М.: Издательство МЭИ, 2004. – 50 с.



Рассмотрена работа ключей, как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Изучается их работа на активную, активно-емкостную и активно-индуктивную нагрузки. Изложены способы и методы оценки параметров ключей, как в статическом, так и в динамическом режимах работы. Определенное внимание уделено работе и оценке параметров ключей ( логических элементов) на КМОП -транзисторах.

Пособие предназначено для подготовки бакалавров и дипломированных инженеров по электронике.

Продолжительность лабораторных занятий – 4 часа.








© Московский энергетический институт, 2004



Лабораторная работа № 1

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ КЛЮЧА

НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы — изучение статических характеристик и параметров ключа на биполярном транзисторе.


Основой цифровых (логических) интегральных микросхем (ИС) на биполярных транзисторах является ключевой каскад на основе кремниевого n-p-n - транзистора, изображенного на рис. 1.1, а. В логических ИС этот каскад осуществляет логическую операцию инверсии логического сигнала, откуда вытекает другое название этого каскада — инвертор.

Рис. 1.1. Схема ключа на биполярном транзисторе (а).

Перемещение рабочей точки по семейству:

б – выходных характеристик; в – входных характеристик.


Для транзисторного ключа в статическом режиме работы характерны два состояния: либо он закрыт — в цепи коллектора ток практически отсутствует, либо ключ открыт — при этом падение напряжения на транзисторе мало, и в цепи коллектора протекает максимально возможный ток.

Качественный анализ работы схемы можно осуществить, используя семейство статических выходных и входных характеристик транзистора (рис. 1.1, 6, в).

При напряжении генератора EГ<U* ток базы крайне мал (рис. 1.1, в), ток коллектора практически отсутствует, и ключ закрыт, а напряжение на выходе схемы близко к напряжению источника питания ЕК (точка А на рис. 1.1, 6).

При напряжении генератора ЕГ>U* возникает заметный ток базы. U* для кремниевого транзистора составляет 0,6—0,7 В.

Это приводит к появлению тока коллектора. Транзистор переходит в активный режим работы. При увеличении ЕГ ток базы возрастает, возрастает ток коллектора, и рабочая точка перемещается по линии статической нагрузки (точка В, рис. 1.1, б) так, что напряжение на выходе ключа уменьшается.

Увеличение тока базы выше IБН = IКН / приводит к тому, что транзистор переходит в режим насыщения (точка С, рис. 1.1, б). При дальнейшем росте тока базы увеличение тока коллектора не происходит. Он определяется внешним элементом — резистором RК. Выходное напряжение ключа становится минимальным (UКЭН), а ток ключа
IКН = (EК - UКЭН)/RК максимальным. Рассмотренная зависимость UВЫХ(EГ) называется передаточной характеристикой ключа. Она изображена
на рис. 1.2,
а.

Рис. 1.2 Передаточная характеристика ключа (а), его схема замещения (б)


Для проведения количественных расчетов биполярный транзистор заменяют моделью, описывающей его электрические свойства. Для этой цели наиболее часто используют модель Эберса—Молла (МЭМ) (схема МЭМ на рис.1.2, б выделена штриховой линией). Токи транзистора в соответствии с МЭМ определяются выражениями

IЭ = I1 - II2; I1 = IЭ0'(exp(UБЭ/ mT) - 1); (1.1)

IК = NI1 – I2; I2 =IК0'(exp(UБК/ mT) - l),

где N, I — нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока эмиттера; IЭ0', IК0' — токи насыщения (тепловые токи) эмиттерного и коллекторного переходов; T = KT/q — температурный потенциал; K/q = 8,616710–5 В/К —приведенная постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; (T = 25,8 мВ при T = 300 К), m – коэффициент, учитывающий характер генерационно-рекомбинационных процессов в
p-n – переходе (1 m 2). В состав эквивалентной схемы МЭМ введено омическое сопротивление базы rБ и могут быть введены омические сопротивления (сопротивления растекания) эмиттера rЭS, и коллектора rКS (на схеме не показаны), включенные последовательно в цепь эмиттера и коллектора, соответственно. Коэффициенты N и I связаны с нормальным и инверсным коэффициентами передачи тока базы N и I:

= / ( + l) или = / (1 - ). (1.2)

Таким образом, величины IЭ0', IK0', N, I, (или N, I), rБ rЭS, rKS,), m являются параметрами МЭМ. Между параметрами МЭМ выполняется соотношение

N IЭ0' = I IK0'. (1.3)

Типичные значения параметров МЭМ для биполярных кремниевых транзисторов ИС могут лежать в диапазоне: IЭ0' и IK0' от 10-16 до 10-9 А; N от 10 до 100; I от 0,01 до 0,2; rБ от 50 до 500 Ом. Значения ЕК составляют 3,5—10В, а типичные значения тока коллектора в открытом состоянии ключа (IКН) составляют 0,1—10 мА, что намного больше значений IЭ0' и IK0' в рабочем диапазоне температур.

Рассмотрим количественные соотношения, характеризующие входную IБ(EГ) и передаточную UВЫХ(EГ) характеристики ключевого каскада.

Для закрытого состояния транзистора характерно обратное смещение как эмиттерного, так и коллекторного переходов, UБЭ<0 и UБК<0, (если иметь в виду n-p-n - транзистор!). Инжекция неосновных носителей эмиттерным переходом отсутствует, что также практически имеет место в кремниевом транзисторе при UБЭ Решение уравнения модели Эберса—Молла позволяет определить токи транзистора

I К = I K0 = I K0' (1 - N I),

I Э I K0 I / N, (1.4)

I Б - I K0.

В соответствии с этим упрощенная эквивалентная схема замещения транзистора в закрытом состоянии может быть представлена генератором тока IК0, включенным между коллектором и базой (рис. 1.3, а). Цепь эмиттера можно считать разомкнутой, т. к. I / N <

При работе транзистора в активном режиме, когда UБЭ>0, UБК<0, из (1.1) можно получить

IЭ = IЭ0'(exp(UБЭ/ mT) - 1) + N IЭ0',

IК = N IЭ0'(exp(UБЭ/ mT) - 1) + I K0', (1.5)

IБ = IЭ - IК = (1 - N)IЭ0'(exp(UБЭ/ mT) - 1) - I K0'(1 - I).

Соответственно эквивалентная схема замещения транзистора в активном режиме (рис. 1.3, б) представлена прямо включенным эмиттерным переходом, коллекторная цепь представлена генераторами тока I K0 и NIЭ.

Ток коллектора практически не зависит от напряжения UК, а определяется током эмиттера или связанным с ним током базы.

Рис. 1.3. Схемы замещения транзистора при работе:

а – в режиме отсечки; б – в активной области; в –, г – в режиме насыщения.


Ввиду малости вторых членов в (1.5) в дальнейшем ими можно пренебречь.

Уравнения второго закона Кирхгофа для входной и выходной цепи (рис. 1.2, б) определяется как

EГ =IБ (RБ+rБ) +UБЭ = IБRБ + UВХ, (1.6)

EК = UВЫХ + IКRК UВЫХ + N IЭRК = UВЫХ + NIБRК, (1.7)

где UВЫХ = UКЭ.

Уравнение (1.6) позволяет установить связь между напряжением EГ и током IБ, то-есть определяет входную характеристику ключа при работе транзистора в активном режиме. Задавая в (1.7) значения тока коллектора в пределах активного режима работы (I K0< I K< I КН), определяют значение UВЫХ. Затем для выбранного IК определяем ток IБ и UБЭ, и в соответствии с (1.6) вычисляем значение ЕГ. Полученная таким образом зависимость UВЫХ(EГ) описывает часть передаточной характеристики при изменении EГ от ~ U* до значения, соответствующего точке С (рис. 1.2, а).

Для насыщенного состояния транзистора характерно прямое смещение как эмиттерного, так и коллекторного переходов, UБЭ>0, UБК>0. Решение уравнений модели Эберса—Молла в таком случае дает возможность определить падение напряжения на двух встречно включенных p-n-переходах

UКЭ = UБЭ - UБК = mT ln ( (IБ + IКН / (I + 1)) / (IБIКН /N)). (1.8)

Напряжение UКЭ составляет 30—70 мВ при типичных значениях коэффициентов усиления по току – N = 50—100, I = 0,5—4, (I = 0,3—0,8), характерных для кремниевых транзисторов ИС, выполненных по планарной технологии. С ростом тока базы UКЭ уменьшается и стремится к величине UКЭ = mT ln ( ) .

Ток, проходящий через насыщенный транзистор, создает падение напряжения не только на двух встречно включенных p-n -переходах, но также и на распределенном сопротивлении тела коллектора rКS. Таким образом, полное падение напряжения на насыщенном транзисторе

определяется выражением


UКЭН = UКЭ + IКН rКS. (1.9)


Поэтому напряжение UКЭН зависит от тока коллектора и возрастает с его увеличением.

Эквивалентную схему замещения транзистора в насыщенном состоянии можно представить схемой (рис. 1.3, в). Необходимо, отметить, что для маломощных ключей UКЭН, как правило, меньше U*. Если EК>>U*, UКЭН, то при оценочных расчетах можно считать, что потенциалы коллектора и базы примерно равны нулю и эквивалентная схема замещения насыщенного транзистора упрощается (рис. 1.3, г). Говорят, что транзистор “стягивается в точку”. На передаточной характеристике (рис. 1.2, а) насыщенному состоянию ключа соответствует участок низкого потенциала (UВЫХ 0.1В), практически слабо зависящий от напряжения EГ.

Методические указания по проведению измерений

Электрическая схема установки для проведения измерений представлена на рис. 1.4. Транзистор, номиналы резисторов RК и RБ, напряжение источника питания EК могут варьироваться и задаются преподавателем. Для измерения напряжений с повышенной точностью используются цифровые вольтметры постоянного тока V1 и V2. Ток базы

Рис. 1.4. Электрическая схема измерительной установки.

регулируется при изменении величины EГ и вычисляется по падению напряжения на резисторе RБ (точки 1, 2) с помощью вольтметра V1. Одновременно измеряется напряжение на базе транзистора (UВХ). Аналогичные измерения IК и UКЭ осуществляются с помощью
вольтметра
V2.

Для определения параметров модели Эберса—Молла (МЭМ) транзистора все измерения проводиятся при работе транзистора в активном режиме.

При определении коэффициента N надо вывести транзистор в активную область характеристик (рекомендуется задать UКЭ 1B, IК< IКН), измерить IК и IБ и вычислить N = IК/IБ. После этого можно вычислить N = = N /(N+1). Определение I (или I) проводится аналогично, но при этом необходимо поменять местами выводы коллектора и эмиттера, т. е. обеспечить инверсное включение транзистора. Для определения параметров МЭМ rБ, IЭ0', m, воспользовавшись эквивалентной схемой транзистора и формулами (1.5), можно записать систему уравнений для трех точек на входной характеристике транзистора


UВХ1 = IБ1 rБ + UБЭ1,

UВХ2 = IБ2 rБ + UБЭ1 + mT ln (IБ2 / IБ1), (1.10)

UВХ3 = IБ3 rБ + UБЭ1 + mT ln (IБ3 / IБ1).


Измерив значения UВХ1, UВХ2 и UВХ3 при соответствующих значениях IБ в активной области характеристик транзистора, из системы трех нелинейных алгебраических уравнений (1.10) любым численным методом можно определить UБЭ1, rБ и m. Затем можно определить IЭ0':

IЭ0' = IБ1(N+1) exp(- UБЭ1 / mT). (1.11)

Значения T следует рассчитать по измеренному с помощью термометра значению температуры вблизи корпуса транзистора.


Задание

1. Измерить и построить входную и передаточную характеристики транзисторного ключа для трех комбинаций значений сопротивлений резисторов RК и RБ (задаются преподавателем).

2. Провести соответствующие измерения и расчеты для определения параметров МЭМ транзистора. Результаты свести в таблицу. Оценить погрешность определения параметров.

3. Используя параметры МЭМ, рассчитать и построить передаточную характеристику ключа для одной из комбинаций резисторов RК и RБ.

Библиографический список

1. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977. С. 181—186, 460—480.

2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Сов. Радио, 1980. С. 119—124, 246—253.

3. Преснухин Л. Н. Расчет элементов цифровых устройств: Учебное пособие./Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: Высш. шк., 1982. С. 27—56.


Лабораторная работа № 2

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРНОМ КЛЮЧЕ ПРИ РАБОТЕ НА АКТИВНО-ЕМКОСТНУЮ НАГРУЗКУ

Цель работы — изучение переходных процессов включения и выключения ключа на биполярном транзисторе, работающем на активно-емкостную нагрузку, измерение времени задержки, нарастания, рассасывания и спада тока коллектора в функции отпирающего тока базы.


Объектом изучения является ключ на основе биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1, а).



Рис. 2.1. Схема ключа с учётом ёмкостной нагрузки (а),

его схема замещения (б)


Транзистор работает в режиме большого сигнала. Входное напряжение изменяется так, что транзистор переходит из закрытого состояния в открытое, насыщенное и наоборот. При скачкообразном изменении входного сигнала ток коллектора и напряжение коллектора изменяются с конечной скоростью, что обусловлено инерционностью транзисторного ключа, связанной с конечной длительностью установления рекомбинационных процессов в базе транзистора, конечным временем пролета электронов через базу и конечным временем перезарядки барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного перехода.


В соответствии с этим в схему замещения модели Эберса—Молла (рис. 2.1, б) введены емкости CБЭ, CБК и учтена частотная зависимость коэффициента передачи по току N и N

N = 0 / (1 + p) (2.1)

и связанная с ней зависимость

N = 0 / (1 + p). (2.2)

Наличие емкости нагрузки CН дополнительно увеличивает время установления напряжения на выходе ключа.

Отыскание точного аналитического решения для переходного процесса представляет сложную задачу, тем более что параметры, входящие в модель (СКБ, СБЭ, N,, N ), сами зависят от токов и напряжений в схеме, т. е. модель является нелинейной (рис.2.2. а, б).

Ниже представлены приближенные решения для отдельных этапов процесса переключения транзистора. На каждом этапе, исходя из физических соображений, транзистор представляется простой моделью, имеющей несложное математическое описание.


Рис. 2.2 а) – зависимость емкости CКБ, б) транзисторов

от режима работы по постоянному току


Рассмотрим случай, когда емкость нагрузки мала (СН = 0).

Этап задержки нарастания тока. Пусть в исходном состоянии транзистор заперт EГ = 0. При скачкообразном изменении входного напряжения от 0 до EГ+ (рис. 2.3, а) напряжение на базе начнет увеличиваться по мере заряда входной емкости транзистора через резистор RГ с постоянной времени ВХ = RГCВХ. СВХ определяется усредненным значением барьерной емкости эмиттерного и коллекторного переходов CВХ CБК+CБЭ.

Транзистор остается закрытым (IК=0) вплоть до момента времени, когда напряжение на базе достигнет величины U*. В течение этого времени напряжение на базе транзистора в соответствии с эквивалентной схемой рис. 2.4, а будет изменяться по закону:

UБЭ = EГ+ (l - exp(-t/ВХ)).


Напряжение UБЭ составит U* при t = tЗД. Решение уравнения дает значение времени задержки

tЗД = ВХ ln ((EГ+)/(EГ+- U*)). (2.3)


Рис. 2.3. Эпюры осциллограмм переходного процесса в ключе.


Этап нарастания тока. По истечении времени задержки ток базы практически скачком возрастает до величины IБ+= (EГ+- U*)/RБ (рис. 2.3, б)


Рис. 2.4. а – схема замещения входной цепи ключа;

б – схема замещения для расчёта процесса включения транзистора


и в дальнейшем остается постоянным, а ток коллектора начинает нарастать. Транзистор работает в активной области характеристик. Схема замещения каскада дана на рис. 2.4, б.

Для больших значений RГ, когда RГ >> RВХЭ, и малых значений IК0 (IК>> IК0), процессы нарастания IК описываются уравнением

0IБ+ = IК + ОЭ (d IК / d t), (2.4)

в котором ОЭ = + (0+1) CКБRК.

Обоснуем уравнение (2.4). Оно вытекает из так называемых зарядовых

уравнений, связывающих ток базы и ток коллектора транзистора с зарядом неосновных носителей в базе (Q):

IБс = Q + (dQ / d t) (2.5)

IКс = Q 0 / . (2.6)

Токи IБси IКс будем называть собственными токами транзистора, поскольку в их составе не содержатся токи барьерных емкостей СКБ и СБЭ (рис. 2.4, б).

Исключение Q в (2.5) с помощью (2.6) дает уравнение, по структуре соответствующее (2.4), с отличием лишь в значении константы

0IБс = IКс + (d IКс / d t). (2.7)

Из рисунка 2.4, б следует, что ток IC КБ = CКБ(dUК/dt) = CКБRК(dIК/dt) вычитается из тока базы IБ+ и собственный ток IБс = IБ+ - IC КБ. Нетрудно видеть, что собственный ток коллектора IКс = IК + IC КБ. Подстановка выражений IБс, IКс, IC КБ в уравнение (2.7) приводит к соотношению:

0IБ+ = IК + ОЭ (d IК / d t) + СКБRК (d2IК / d t2). (2.8)

В уравнении (2.8) последний член пренебрежимо мал. Если его опустить, то получим уравнение (2.4).

Вернемся к уравнению (2.4). Решение (2.4) при нулевых начальных условиях (IК = 0 при t = 0) дает закон изменения тока коллектора от времени:

IК = 0IБ+ (l - exp(-t/ОЭ)). (2.9)

Время фронта нарастания тока tФ+, когда ток IК не ограничен, можно принять равным tФ+ =3ОЭ. При больших сигналах ток ограничен величиной IКН = (EК-UКЭН)/RК (рис. 2.3, г). В этом случае в (2.9) примем IК = IКН при t = tФ+, и определим длительность фронта tФ+:

tФ+ = ОЭ ln (0IБ+ /(0IБ+- IКН)). (2.10)

В течение времени tФ+ (часто обозначается как t1-0) напряжение на выходе каскада уменьшается от EК до UКЭН. Таким образом, формируется фронт импульса, связанный с процессом включения транзистора
(рис. 2.3,
г), и транзистор переходит в режим насыщения. В условиях, когда 0IБ+  IКН, из (2.10) вытекает, что t1-0 +EПИТСКБ / IБ+, или оценочно можно считать, что t1-0 +EПИТСКБ / IБ+, если мало.

Этап накопления избыточного заряда. После включения транзистора ток коллектора остается практически постоянным, а в базе транзистора происходит процесс накопления избыточных неосновных носителей заряда. Этот процесс количественно описывается зарядовым уравнением (2.5), в котором током базы будем считать разность (IБ+- IБН), то есть ток базы избыточный над током насыщения IБН. Зарядом будет являться заряд QИЗБ, избыточный над зарядом QН = IКН/0, соответствующим току IКН. Временная постоянная изменится и станет равна НАС. Названные изменения уравнения (2.5) приводят к виду


Случайные файлы

Файл
143593.rtf
73877.rtf
158880.rtf
ref-15959.doc
71790.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.