ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

ФГБ ОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроника и защита информации»

А.Н. КАРАУЛОВ, Л.И.СТРЯПКИН

 

 

КЛЮЧЕВЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

 

 

Методические указания

К лабораторным работам

 

Москва - 2012

 

 

УДКХХХ.ХХХ.ХХХ

К ХХ

Караулов А.Н., Стряпкин Л.И. Ключевые схемы на биполярных транзисторах: Методические указания к лабораторным работам – М.: МИИТ, 2012.-21 с.

 

Даются краткие теоретические сведения о принципах работы ключевых схем на биполярных и МДП-транзисторах и описание двух лабораторных работ, выполняемых на автоматизированном универсальном стенде.

 

 

 

© ФГБ ОУ ВПО МИИТ, 2012

Лабораторная работа № 4. Ключ на биполярном транзисторе

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить принцип действия ключа на биполярном транзисторе, основные режимы работы транзистора в схеме ключа, влияние нагрузки на работу ключа.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.2.1.Изучение статических режимов работы ключа и влияния на них нагрузки в виде аналогичных ключей.

1.2.2.Изучение передаточной характеристики ключа U_вых=f(U_вх).

1.2.3.Исследование динамического (импульсного) режима работы ключа и влияния нагрузки в этом режиме.

 

1.3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Рассмотрим простейшую схему ключа, реализованного на биполярном транзисторе n-p-n структуры (рис.1).

Рис.1. Ключ на биполярном транзисторе

Проанализируем работу схемы в статическом режиме. Предположим, входное напряжение U_ВХ=0, тогда ток базы I_Б=0, в цепи коллектора протекает пренебрежительно малый неуправляемый (тепловой) ток, не создающий практически падения напряжения на резисторе R_К. Таким образом, при входном напряжении низкого уровня на выходе схемы (в режиме холостого хода, при отсутствии нагрузки) формируется сигнал высокого уровня U_ВЫХ=E_К. При наличии на входе определённого напряжения, соответствующего уровню логической единицы U_ВХ³U¹ в цепи базы протекает ток I_Б, превышающий по величине ток базы насыщения (из этого условия выбирается R_Б), следственно, в цепи коллектора протекает ток, приближённо равный I_КН=E_К/R_К, напряжение на выходе схемы соответствует низкому уровню U_ВЫХ= U_КЭН£ U⁰. Таким образом, схема обладает свойством инвертирования входного сигнала. Так как транзистор включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ), схема также обладает свойством усиления входного импульсного сигнала по току и по напряжению.

Основным фактором, влияющим на работу ключа в статическом режиме, является наличие активной нагрузки. На рис.2. изображена схема ключа на биполярном n-p-n транзисторе, нагруженного активным сопротивлением R_Н. Как видно из схемы, когда транзистор VT1 находится в режиме насыщения, нагрузка практически не оказывает влияния на работу схемы. Однако, в случае, когда транзистор находится в режиме отсечки, сопротивление нагрузки может значительно снижать выходное напряжение.

Рис.2. Ключ на биполярном транзисторе

с активной нагрузкой

 

Как видно из схемы (рис.2.), в этом режиме в выходной цепи образуется делитель напряжения, состоящий из резисторов R_К и R_Н.

При этом, напряжение на выходе схемы будет равно:

. (1)

Сопротивление R_К обычно выбирается меньше R_Н для обеспечения на выходе схемы напряжения, соответствующего уровню логической единицы.

Современная электронная промышленность выпускает транзисторы в дискретном исполнении с граничными частотами до нескольких гигагерц, в связи с чем при анализе работы ключа в динамическом режиме ограничимся рассмотрением влияния лишь внешней ёмкости нагрузки, пренебрегая учётом временных параметров, характеризующих процессы, протекающие в полупроводниковой структуре транзистора. На рис.3 изображен ключ с емкостной нагрузкой.

Рис.3. Ключ на биполярном транзисторе

с емкостной нагрузкой

 

При анализе работы с электронных схем в динамическом режиме пользуются временными диаграммами. На рис.4. показаны временные диаграммы входного импульсного напряжения U_ВХ (рис.4.а), выходного напряжения U_ВЫХ при отсутствии емкостной нагрузки (рис.4.б), выходного напряжения U_ВЫХ при работе ключа на емкостную нагрузку (рис.4.в). Постоянная времени заряда конденсатора С_Н больше, чем постоянная его разряда, так как его заряд происходит через сравнительно большое сопротивление R_К, а разряд – через сравнительно низкое сопротивление открытого транзистора. В связи с этим длительность переднего фронта выходных импульсов больше длительности заднего фронта t₀₁> t₁₀.

Рис.4. Временные диаграммы, иллюстрирующие влияние емкостной нагрузки

 

Увеличение нагрузочной ёмкости ограничивает быстродействие ключевых схем, так как при высоких рабочих частотах ёмкость может не успевать заряжаться до уровня логической единицы U¹ за длительность импульса. Поэтому при проектировании импульсных устройств, работающих на высоких частотах, стараются минимизировать длину соединительных проводников между элементами схемы, а так же применяют элементы, имеющие низкую входную ёмкость.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

На рис.5 изображена принципиальная электрическая схема макета лабораторной работы.

 

Физической реализацией схемы является печатная плата, изготовленная из фольгированного стеклотекстолита размером 140x150 мм с набором контактных площадок для соединения с разъёмом универсального стенда.

Питание всех цепей лабораторного макета осуществляется от стабилизированного источника +5В.

Основой лабораторного макета служит ключ на дискретном биполярном транзисторе средней мощности КТ503А (на схеме – VT1). В качестве нагрузки к выходу схемы ключа с помощью переключателей S1…S4 подключаются аналогичные транзисторные ключи, выполненные на основе транзисторной матрицы К1НТ251 (VT2…VT5). В качестве емкостной нагрузки с помощью переключателей S5, S6 к выходу ключа подключаются конденсаторы С1, С2.

Для искусственного введения ключа в статические режимы отсечки и насыщения служат переключатели S7 и S8.

Источником импульсного сигнала для изучения динамического режима работы ключа служит генератор импульсов на интегральной микросхеме DD1 (К155ЛА3), размещенный так же на плате лабораторного макета (на схеме генератор показан в виде блока).

Выход генератора подключается к входу ключа с помощью переключателя S9.