Исследование переходных процессов в электронном ключе на биполярном транзисторе (110

чем в схеме простейшего ТК (рис. 1), а коэффициент насыщения S при этом остается тем же. При этом, согласно (22), (27), с увеличением отпирающего тока базы уменьшается длительность фронта tФ. Это значит, что ускоряется (форсируется) процесс вхождения БТ в режим насыщения, что и объясняет название схемы на рис. 7.

Форсирующая ёмкость способствует также и уменьшению времени рассасывания заряда tРАС. Действительно, когда БТ открыт, напряжение на сопротивлении RБ равно EБ+ – UБЭ, а конденсатор СБ заряжен до этого же напряжения. При подаче на вход ТК запирающего напряжения EБ = EБ−, напряжение EБ+ – UБЭ на конденсаторе СБ складывается с напряжением EБ−. Тогда начальный закрывающий ток базы равен IБ− = (EБ+ + EБ− – UБЭ) / RВХ, что больше закрывающего тока IБ− = (EБ− – UБЭ) / (RБ + RВХ) в схеме ТК без форсирующей ёмкости. Тогда, согласно (31), время рассасывания tРАС в схеме с форсирующей ёмкостью (рис. 7) будет меньше, чем в схеме на рис. 1.

На практике ёмкость конденсатора СБ выбирается из следующих соображений. При малой ёмкости СБ всплески базового тока IБ(t) (рис. 8), возникающие при переключении ТК, имеют малую длительность, и их влияние на длительность переходных процессов незначительно. Поэтому для уменьшения длительности переходных процессов в ТК в этом случае нужно увеличивать емкость СБ . Однако при слишком большой емкости СБ процесс её перезарядки затягивается и всплеск базового тока IБ(t) уменьшается медленно. Это приводит к увеличению длительности переходных процессов в ТК. Поэтому ёмкость конденсатора СБ на практике выбирают из условия

где τβЭК = β (RН СН + 1/2π fТ) – эквивалентная постоянная времени, fТ – граничная частота для коэффициента передачи тока базы β в схеме с ОЭ, при которой β = 1 (т.е. БТ теряет усиление), а RН и СН – активное сопротивление и ёмкость нагрузки ТК. В выражении для τβЭК первое слагаемое отражает инерционность выходной цепи ТК, а второе – инерционность БТ.

Для изучения переходных процессов в ТК к его выходу обычно подключают осциллограф. Поэтому величина СН складывается из ёмкостей коллекторного перехода (≈1 пФ), соединительного кабеля (≈50 пФ) и входной ёмкости осциллографа (≈50 пФ). Исходя из этого, емкость СН можно приближённо считать равной 100 пФ, что достаточно велико. Поэтому при fТ = 100 МГц (что характерно для маломощных ВЧ транзисторов) основной вклад в эквивалентную постоянную времени τβЭК вносит слагаемое β RН СН. Поэтому можно считать, что

Пример. При β = 100, RН = 2 кОм, RБ = 0,5 кОм, СН = 100 пФ для оп-

тимального значения ёмкости СБ получаем СБ = 40 нФ.

21

II.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.Описание лабораторного макета и подключение к нему измери-

тельных приборов

Схема лабораторного макета показана на рис. 9. Макет предназначен для исследования статического и динамического состояний ТК на БТ в схеме с ОЭ, а также переходных процессов в нём.

VD1

R1

Рис. 9

На лицевую панель лабораторного макета выведены все элементы схемы ТК (рис. 6), а также гнёзда для коммутации элементов и подключения к макету измерительных приборов. Коммутация элементов в схеме ТК осуществляется при помощи короткозамкнутых перемычек (КЗП).

Входная (управляющая) цепь ТК состоит из генератора прямоугольных управляющих импульсов (внутреннего или внешнего по отношению к макету), резистора R1 = 510 Ом (в теоретической части работы обозначен как RБ), источника GB1 постоянного напряжения смещения 0…– 3 В, которое через переменное сопротивление RP1 и резистор R2 = 5.6 кОм может быть подано на базу БТ, и входной цепи БТ n–p–n-типа.

Выходная (управляемая) цепь ТК содержит источник GB2 напряжения 0… +12 В, регулируемого с помощью переменного сопротивления RP2, а также нагрузочные резисторы R3 = 530 Ом, R4 = 2 кОм и R5 = 22 кОм (в теоретической части обозначены как RК) и выходную часть БТ между его эмиттером и коллектором. Кроме того, схема содержит элементы для увеличения быстродействия ТК – форсирующие конденсаторы трёх номиналов

22

С1 = 100 пФ, С2 = 0.47 нФ, С3 = 68 нФ (в теоретической части обозначены как CБ) и диод Шоттки VD1, включаемый между базой и коллектором БТ.

На задней стенке макета расположено гнездо для соединения общего провода макета с землёй. Питание макета включается тумблером «Сеть».

При выполнении лабораторной работы используются следующие приборы: внешний или внутренний (по указанию преподавателя) генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), вольтметр постоянного тока и двухканальный осциллограф. При использовании внешнего ГПИ управляющее напряжение ЕБ(t) с его выхода через коаксиальный кабель подаётся на входное гнездо макета. Если используется встроенный в макет внутренний ГПИ, необходимо его выход соединить со входом макета с помощью КЗП. Недостаток внутреннего ГПИ состоит в том, что он вырабатывает сигнал единственной частоты и не позволяет регулировать постоянную составляющую управляющего напряжения.

Для исследования статических состояний и переходных процессов в ТК один из входов двухканального осциллографа подключается к выходу ТК (коллектору БТ), а другой – ко входу ТК, на который подают управляющее входное напряжение ТК. При этом на экране осциллографа одновременно наблюдаются как входное (управляющее) напряжение EБ(t), так и выходное напряжение UКЭ(t) ключа. При этом осциллограф должен быть настроен так, чтобы осциллограммы управляющего напряжения EБ(t) и выходного напряжения UКЭ(t) отображались на экране осциллографа в таком же порядке, как показано на рис. 4.

2. Задания к лабораторной работе Перед выполнением лабораторной работы следует:

1.изучить теоретическую часть методических указаний;

2.ознакомиться с расположением элементов схемы ТК на лицевой панели лабораторного макета;

3.изучить правила работы с измерительными приборами, необходимыми при исследовании ТК.

2.1. Исследование исходного статического состояния ТК

Используя КЗП, на лицевой панели лабораторного макета соберите схему ТК, показанную на рис. 1. Включите сетевое питание макета и измерительных приборов – генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), вольтметра постоянного тока и осциллографа. Подключите вольтметр между гнездами, соединёнными с базой БТ и с общим проводом макета, как показано на схеме рис. 9 (положение PV1). С помощью ручки RP1 источника GB1 установите на базе смещение UБЭ = 0, контролируя его с помощью вольтметра. Затем подключите вольтметр между гнездами, соединёнными с плюсом источника питания GB2 и с общим проводом макета. С помощью

23

ручки RP2 установите напряжение источника питания ЕК = 12 В, контролируя его с помощью вольтметра. Далее подключите вольтметр между коллектором БТ и общим проводом макета (положение PV2 на рис. 9) и измерьте напряжение UКЭ между коллектором и общим проводом (эмиттером транзистора). Сравните измеренные значения EК и UКЭ.

Сделайте вывод об исходном статическом состоянии ТК.

2.2.Исследование переходных процессов в насыщенном ключе

2.2.1.Исследование зависимости длительности переходных процессов в ТК от амплитуды положительного однополярного управляющего

импульса

Ручку регулятора «Амплитуда выходного напряжения» генератора прямоугольных импульсов установите в положение «min». Выберите частоту следования прямоугольных импульсов равной f ≈ 150 кГц. Выходной разъём генератора с помощью коаксиальных кабелей соедините со входными гнездами ТК и с одним из входов осциллографа. Ко второму входу осциллографа подключите выходные гнезда схемы ТК (коллектор БТ и общий провод). Выберите значение коллекторного сопротивления RК (R3, R4 или R5 по схеме макета) по указанию преподавателя (например, 2 кОм). Пронаблюдайте, как исходное разомкнутое состояние ТК отображается на экране осциллографа.

Увеличивая амплитуду управляющих импульсов ручкой «Амплитуда выходного напряжения» и пользуясь ручкой «Смещения» генератора прямоугольных импульсов, подайте на вход ТК управляющие однополярные импульсы с частотой f ≈ 150 кГц и скважностью Q = 2. Амплитуду управляющих импульсов увеличивайте до полного отпирания БТ этими импульсами, что определяется по осциллограмме выходных импульсов ТК. По осциллограммам выходных импульсов ТК измерьте временные характеристики tФ, tРАС и tСП переходных процессов в ТК при следующих амплитудах входных управляющих импульсов: EБ+ = 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0 В и EБ− = 0 В. Для каждого значения EБ+ рассчитайте максимальную частоту переключения F (в кГц) по формуле (36), а также рассчитайте ток базы IБ+ по формуле

IБ+ = (EБ+ – UОТП ) / RБ при UОТП = 0.7 В (в качестве RБ в схеме лабораторного макета на рис. 9 выступает резистор R1).

Результаты занесите в таблицу 1, приведенную далее.

Сделайте вывод о влиянии амплитуды однополярных управляющих импульсов (или тока базы) на переходные характеристики ТК.

24

2.2.2. Исследование зависимости переходных процессов в ТК от амплитуды отрицательного двухполярного управляющего импульса

Не меняя значение RК, установите напряжение EБ+ = 2.0 В и по осциллограммам выходных импульсов ТК измерьте временные характеристики tФ, tРАС и tСП переходных процессов при ЕБ− = – 1.0; – 1.5; – 2.0; – 2.5; – 3.0 В.

Для каждого EБ− рассчитайте предельную частоту переключения F (в кГц)

по формуле (36), а также ток базы IБ− по формуле IБ−= (ЕБ− – UОТП) / RБ. Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 2.

Определите, на какую из временных характеристик переходных процессов влияет амплитуда отрицательного импульса или тока базы.

Таблица 1

Зависимость характеристик переходных процессов в ТК от амплитуды положительного однополярного управляющего импульса

(RК =______ , ЕБ− = 0 В, f ≈ 150 кГц )

Таблица 2

Зависимость характеристик переходных процессов в ТК от амплитуды

отрицательного управляющего импульса

(RК =______ , ЕБ + = 2 В, f ≈ 150 кГц)

25

2.2.3.Исследование длительности переходных процессов в ТК от сопротивления коллекторной нагрузки RК

Измените значение коллекторной нагрузки RK по указанию преподавателя, повторите измерения пункта 2.2.2 и занесите результаты в таблицу, подобную таблице 2.

Измерьте остаточное напряжение UОСТ на транзисторе при значениях EБ+ и EБ−, указанных преподавателем.

2.3.Исследование способов повышения быстродействия ТК

2.3.1.Исследование схемы ТК с форсирующей ёмкостью CБ

Установите значение коллекторной нагрузки RK , выбранное в п. 2.2.2, а также значения ЕБ + и ЕБ − по указанию преподавателя. С помощью КЗП подключите параллельно резистору RБ (в схеме макета это резистор R1) один из трех форсирующих конденсаторов СБ (в схеме макета это конденсаторы С1, С2 и С3). Пронаблюдайте по осциллограммам, как подключение форсирующего конденсатора влияет на временные характеристики tФ, tРАС и tСП переходных процессов в ТК. Из трёх ёмкостей (С1, С2 или С3) выберите такую, подключение которой приводит к наибольшему уменьшению времени задержки среза tРАС.

Для выбранного (оптимального) значения форсирующей ёмкости СБ измерьте временные характеристики tФ, tРАС и tСП и рассчитайте предельную частоту переключения F (в кГц) по формуле (36). Сравните полученное значение F со случаем насыщенного ключа, исследованным в п. 2.2.2. Измеренные значения tФ, tРАС, tСП и F занесите в таблицу 3 (в строку № 1 – Форсирующая ёмкость).

Таблица 3

Временные характеристики переходных процессов в схеме ТК с ускоряющими элементами (EБ+ = ___ В, ЕБ−=___ В, f ≈ 150 кГц )

26

2.3.2.Исследование схемы ТК с нелинейной обратной связью (ОС)

Спомощью КЗП отключите форсирующую ёмкость CБ и подключите диод Шоттки VD1 между базой и коллектором БТ. Пронаблюдайте по ос-

циллограммам, на какую из характеристик переходных процессов (tФ, tРАС или tСП) повлияло подключение диода. Проведите измерения временных характеристик tФ, tРАС, tСП и рассчитайте частоту переключения F (в кГц) по формуле (36). Сравните данное значение F с ранее полученными результатами. Измеренные значения tФ, tРАС, tСП и F занесите в таблицу 3 (в строку

№2 – Диод Шоттки).

Измерьте остаточное напряжение UОСТ на открытом транзисторе. Сравните его со значением, полученным в пункте 2.2.

2.3.3. Исследование схемы ТК с комбинированной ОС

Сохранив в схеме ОС в виде диода Шоттки, подключите (как в п. 2.3.1) оптимальную форсирующую ёмкость CБ. Повторите измерение tФ, tРАС и tСП и рассчитайте предельную частоту переключения F (в кГц) по формуле (36). Измеренные значения tФ, tРАС, tСП и F занесите в таблицу 3 (в строку № 3 – Форсирующая ёмкость и диод Шоттки).

Сделайте вывод о том, какой из способов повышения быстродействия ТК оказался наиболее эффективным.

Контрольные вопросы

1.Схема простейшего ТК на БТ с ОЭ. Объяснить назначение всех элементов схемы.

2.Режимы работы БТ, имеющие место в ТК. При каких смещениях на p–n–переходах они реализуются ?

3.Статический режим ТК. Какими параметрами характеризуют замкнутое и разомкнутое состояние ТК ?

4.Динамический режим ТК. Какими параметрами он характеризуется ?

5.Что такое линия нагрузки ? Как она отображается на ВА характеристиках входной и выходной цепей БТ ?

6.Микрорежим и нормальный токовый режимы БТ. При каких напряжениях Uбэ они реализуются ?

7.Как меняется положение рабочей точки на линии нагрузки в зависимости от управляющего, какие режимы БТ при этом имеют место ?

8.Режим насыщения БТ. При каких условиях он имеет место ?

9.Остаточное напряжение на БТ.

10.Критерий насыщения БТ. Его количественное выражение.

11.Переходные процессы в ТК. Какие временные параметры служат для их описания?

27

12.С чем связана задержка фронта импульса выходного тока при включении ТК. Выражение для задержки фронта.

13.Формирование фронта импульса выходного тока. Чем определяется его длительность?

14.Накопление заряда в диффузионных ёмкостях эмиттерного и коллекторного переходах БТ. Чем определяется длительность накопления ?

15.Что такое задержка среза импульса выходного тока ТК. Какими факторами определяется время рассасывания объёмного заряда, накопленного в переходах БТ?

16.Формирование спада импульса выходного тока ТК. Какими факторами определяется длительность спада ?

17.Форсирующая ёмкость как способ повышения быстродействия ТК. Схема её включения.

18.Диод Шоттки как способ повышения быстродействия ТК. Схема его подключения к БТ.

19.Что такое частота переключения ТК? Как она связана с временными характеристиками переходных процессов в ТК?

ПРИЛОЖЕНИЕ Применение преобразования Лапласа к анализу переходных процессов

Для анализа переходных процессов в радиотехнических цепях широко используется операторный метод, основанный на применении преобразования Лапласа. Операторный метод относится к символическим методам, в которых операции над функциями времени заменяются операциями над их символами (изображениями). Взаимное соответствие между функцией времени F(t) и её изображением F(p) в операторном методе устанавливается с помощью прямого

Отметим, что в данном пособии изображение функции, полученное с помощью преобразования Лапласа, везде обозначается жирным прямым шрифтом.

Функция F(p) называется операторным изображением функции

F(t), или изображением функции F(t) по Лапласу. При этом исходная функция F(t) по отношению к своему операторному изображению F(p) яв-

28

ляется оригиналом. Комплексное число p называют оператором преобра-

зования Лапласа, или комплексной частотой.

На практике к интегрированию по формулам (П. 1) и (П. 2) прибегают редко, так как для большинства часто употребляемых функций составлены таблицы прямого и обратного преобразований Лапласа (см. таблицу П. 1).

Напомним некоторые свойства преобразования Лапласа, которые используются при анализе переходных процессов.

1. Изображение константы А равно этой константе, делённой на p:

2. Изображение суммы функций времени Fi(t) равно сумме изображений Fi(p) этих функций:

3. Умножению функции времени F(t) на постоянное число А соответствует умножение её изображения F(p) на это же число A:

4. Если начальное значение функции F(t) равно F(0+) = 0, то дифференцированию функции F(t) соответствует умножение изображения F(p) этой функции на р (теорема дифференцирования):

где F(0+) обозначает значение функции F(t) в момент времени t = 0+, непосредственно следующий за моментом времени t = 0.

Преобразование Лапласа лежит в основе операторного метода решения линейных дифференциальных уравнений. При использовании операторного метода неизвестные токи и напряжения в радиотехнических цепях заменяют на их операторные изображения. При этом дифференциальное уравнение, составленное относительно мгновенных значений токов и напряжений в цепи, преобразуется в алгебраическое уравнение относительно операторных изображений этих токов и напряжений. Решая алгебраическое уравнение, можно найти изображения искомых токов и напряжений цепи после нарушения установившегося режима цепи (после коммутации). Применяя затем обратное преобразование Лапласа, можно перейти от изображений токов и напряжений к их оригиналам.

29

Таблица П. 1

Соответствие между изображениями и оригиналами по Лапласу для некоторых функций, используемых при анализе переходных процессов в электронном ключе на БТ

ЛИТЕРАТУРА

1.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники : учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Лаборатория Базо-

вых Знаний, 2004. – 488 с.

2.Основы электроники, радиотехники и связи : учеб. пособие для вузов / А.Д. Гуменюк [и др.]. ; под ред. Г.Д. Петрухина. – М. : Горячая ли-

ния – Телеком, 2008. – 480 с.

3.Быстров Ю.А. Электронные цепи и устройства : учеб. пособие для электротехн. и энерг. вузов. – М. : Высш. шк., 1989. – 287 с.

4.Попов В.П. Основы теории цепей : учеб. для вузов. – 2-е изд. – М. :

Высш. шк., 1998. – 575 с.

30