2. Порядок виконання роботи

Д ослідження часових характеристик і параметрів біполярних транзисторів при вмиканні з СЕ і СБ виконується за допомогою схеми, наведеної на передній панелі модуля 4 "Дослідження перехідних процесів в біполярних транзисторах" (рис. 5.2 і 5.3). Необхідно ознайомитися з принциповою електричною схемою модуля і розташуванням на панелі елементів регулювання. Приєднати транзистор, що досліджується, до відповідних клем модуля "Е-Б-К".

1. Дослідити часові параметри ключа на БТ за схемою із загальним емітером. Для цього необхідно:

– перевести перемикач SA2 в нижнє положення "ЗЕ", а SA3 – в верхнє положення "І";

– увімкнути стенд і джерело живлення 12 В.

2. Увімкнути осцилограф і його вхід ПІДСИЛЮВАЧ “У-II” підключити до гнізд 9 і 10.

3. Встановити в положення "~" (відкритий вхід за постійним струмом) перемикач ВХІД на передній панелі осцилографа.

Потенціометром “ ”, розташованим у верхньому правому кутку модуля 3, встановити напругу на колекторі 10 В (вимір роблять осцилографом). Транзистор повинен знаходитися в режимі відсічки .

4. Увімкнути генератор імпульсних сигналів та його імпульсами синхронізації засинхронізувати розгортку осцилографа. При роботі з генератором Г5-54 встановити наступний режим: натиснути кнопку ЗАПУСК, встановити частоту 100 кГц, часовий зсув – біля 1 мкс, тривалість імпульсів – 3 ... 5 мкс, позитивну полярність – « _∏_ «.Тестовий сигнал виводиться через вихід 1:1 (при натиснутій кнопці "Х 0,03"). Підключити генератор до гнізд 6 і 8 на платі лабораторного модуля.

5. Визначити мінімальну амплітуду вхідного імпульсу U_вх.sat, який забезпечує перемикання ключа в режим насичення. Для цього необхідно:

– плавно обертаючи регулятор амплітуди імпульсів генератора, спостерігати зміну сигналу на виході. У висхідному стані ключ знаходиться в режимі відсічки і U_C = E_K. Вершина вихідного негативного імпульсу із зростанням амплітуди вхідного сигналу наближається до нульового рівня (UC_sat  0). Ознакою переходу ключа в режим насичення є сталість амплітуди вихідного сигналу при подальшому збільшенні амплітуди вхідного сигналу. Вершина імпульсу в режимі насичення досягає рівня U_C ≈ 0 (положення розгортки осцилографа при відключенні його входу від гнізда 9).

Рис. 5.3. Принципова електрична схема для дослідження

перехідних процесів в БТ із СБ

6. Заміряти час затримки вихідного сигналу t_d. Для цього необхідно:

– встановити тривалість розгортки осцилографа 0,1 мкс/см, ручку плавного регулювання тривалості розгортки повернути за годинниковою стрілкою до кінця;

– подати на вхід імпульс з амплітудою U_вх = U_вх.sat;

– при використанні однопроменевого осцилографа його вхід підключити спочатку до гнізда 7 і зафіксувати положення переднього фронту з однією з вертикальних ліній (скористатися ручкою горизонтального зміщення осцилографа "", або барабаном плавного регулювання часового зміщення синхроімпульсу генератора). Після цього підключити осцилограф до виходу схеми. Початок вихідного імпульсу буде заміщено відносно відміченої вертикальної лінії масштабної сітки. Враховуючи тривалість розгортки і розмір зміщення вихідного імпульсу відносно вхідного по горизонталі, визначають t_d ;

– при використанні двопроменевого осцилографа один вхід підключити до входу схеми 7, а другий вхід – до виходу 9. На екрані водночас спостерігаються два імпульси. Потенціометрами « » сумістити їх по вертикалі. По зміщенню переднього фронту вихідного імпульсу відносно вхідного по горизонталі, з урахуванням тривалості розгортки визначити t_d. Для більш чіткого визначення кордонів переднього фронту вхідного і вихідного імпульсів атенюатори підсилювачів осцилографа необхідно перевести в положення 0,2 В/см і 1 В/см.

6. Виміряти час наростання, розосередження і спадання вихідного імпульсу при його тривалості біля 3...5 мкс. Час розосередження заміряти при тривалості розгортки осцилографа 0,1 – 0,2 мкс/ділення. Імпульс змістити в центр екрана ручкою . Замалювати осцилограми вихідного сигналу, відзначивши на кресленні рівні і нульового потенціалу.

7. Дослідити підвищення швидкодії ключа за допомогою нелінійного зворотного зв'язку. Для цього необхідно:

– підключити між колектором і базою транзистора діод VD (перемикач SA1 перевести в положення “2”);

– подати на вхід імпульс амплітудою U_вх=0,5U_вхsat. Замалювати осцилограму і порівняти з осцилограмою, отриманою для даного значення амплітуди вхідного сигналу в п. 7. Порівняти осцилограму вихідного імпульсу при підключенні та відключенні діоду VD (при перемиканні перемикача в положення “2”);

– подати на вхід імпульс амплітудою U_вх =1,5U_вхsat; визначити час розосередження t_s і замалювати осцилограми вихідного сигналу при двох положеннях перемикача (при підключеному і відключеному діоді);

– оцінити збільшення швидкодії ключа за допомогою нелінійного зворотного зв'язку;

– вимкнути джерело живлення 12 В.

9. Дослідити часові параметри ключа на біполярному транзисторі при вмиканні за схемою із загальною базою. Для цього необхідно:

• перевести перемикач SA2 у верхнє положення “СБ”, а SA3 – в положення “1”;

• змінити полярність імпульсу генератора (при дослідженні транзисторів типу n-p-n в коло емітера подається негативний імпульс);

• вивести в ліве крайнє положення потенціометр U_E ;

• увімкнути джерело живлення 12 В;

• виміряти інтервали часу затримки, наростання, розосередження t_s і спадання t_f за методикою, описаною в п. 6-7. Тривалість вхідних імпульсів може бути зменшена до 1 мкс, а амплітуда повинна бути збільшена.

9. Порівняти за швидкодією ключові схеми на біполярних транзисторах із загальним емітером і загальною базою.

10. Дослідити залежність амплітуди вихідного сигналу від напруги відсічки U_E. Для цього необхідно:

– замалювати осцилограми і визначити амплітуду вихідного сигналу при подачі на вхід імпульсів 0,5U_вхsat, U_вхsat і 1,5U_вхsat при трьох положеннях потенціометра U_E (два крайніх і одне середнє).

12. Вимкнути прилади, джерело живлення і стенд.

13. Сформулювати висновки, оформити звіт.

3. Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1. Мету лабораторної роботи.

2. Осцилограми вхідного сигналу, струму бази, струму колектора, неврівноваженого заряду в базі і напруги колектора в ключі на біполярному транзисторі з загальним емітером.

3. Принципові електричні схеми ключів на біполярних транзисторах з СЕ та СБ для дослідження перехідних процесів.

4. Результати експериментальних досліджень ключових схем на БТ у вигляді таблиць і осцилограм вихідних імпульсів.

5. Висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

4. Контрольні запитання та завдання

1. Перелічите особливості роботи БТ в ключовому режимі.

2. Намалюйте осцилограми імпульсів на виході транзистор-ного ключа з СБ і СЕ.

3. Яким чином можна підвищити швидкодію ключа на біполярному транзисторі?

4. Як співвідносяться тривалості зростання в ключах за схемою з СЕ та СБ?

5. Чому не обмежують рівень амплітуди вхідного сигналу значенням I_B = I_Bsat?

Лабораторна робота 6

ДОСЛІДЖЕННЯ СТАТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК, ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИХ І ЧАСОВИХ ПАРАМЕТРІВ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ

Мета роботи: поглиблення та закріплення знань про польові транзистори, надбання навичок експериментального зняття – статичних вихідних та керувальних (стокзатворних) характеристик, побудови лінії навантаження та формування електричних моделей. Визначення диференціальних та часових параметрів МДН - тетрода КП350А.

1. Стислі теоретичні відомості

Польові транзистори (ПТ) є уніполярними. Їх робота ґрунтується на використанні тільки одного типу носіїв – основних (електронів або дірок). Процеси інжекції або дифузії в таких приладах практично відсутні (не відіграють принципової ролі). Основним видом руху носіїв є дрейф в електричному полі.

Як і біполярні транзистори та електронні лампи ПТ дозволяють регулювати потужність, що поступає від джерела енергії в навантаження. Це досягається шляхом керування струмом через прилад за рахунок зміни його опору. Для того, щоб керувати струмом в напівпровіднику при сталому електричному полі, потрібно змінювати або питому провідність напівпровідникового шару, або його переріз. Для побудови ПТ використовують ці обидва способи. В основі цих способів лежить ефект поля. Провідний шар, по якому прямує робочий струм, називають каналом. Канали бувають поверхневі та об'ємні.

Транзистори з поверхневим каналом складають групу ПТ з ізольованим затвором та мають структуру: метал–діелектрик–напівпровідник. Їх називають МДН-транзисторами або МОН-транзисторами, якщо в ролі діелектрика під затвором використовують окис (двоокис кремнію).

Транзистор з об'ємним каналом називають польовими транзисторами з керувальним р-n переходом.

Не дивлячись на несхожість в структурі, обидва класи транзисторів мають наступні основні властивості:

– керуюче коло повністю відокремлено від керованого (вихідного кола) і практично не споживає струму, тобто відбувається польове керування, а не керування вхідним струмом. Це зумовлює великий вхідний опір;

– переніс струму здійснюється носіями одного знаку, що виключає генераційно-рекомбінаційні шуми.

У даній лабораторній роботі досліджується ПТ з ізольованим затвором. Виділяють два типи таких приладів: з індукованим каналом та з вбудованим каналом. Транзистор, що досліджується типу КП350А, є ПТ з вбудованим каналом та двома затворами. За аналогією з ламповими вакуумними приладами їх називають МДН-тетродами (чотири електроди).

Розглянемо МДН-транзистор з індукованим каналом n-типу. Якщо в такому приладі затвор (G) з'єднати з витоком (S), тобто коли U_GS = 0 – канал відсутній, і на шляху між стоком (D) та витоком опиняються два ввімкнені назустріч p-n переходи (рис.6.1, а). При подачі напруги на стік, струм в його колі буде дуже малим.

При подачі на затвор напруги негативної полярності U_GS < 0 приповерхневий шар збагатиться дірками. Струм в робочому колі мало змінюється. Якщо на затвор подавати все більшу напругу зміщення U_GS > 0, то основні носії підкладки (дірки) будуть відштовхуватися із приповерхневого шару (збіднений шар розширюється). Одночасно до поверхні притягуються неосновні носії (в даному випадку електрони). Коли зростаючий заряд неосновних носіїв перевищить заряд основних, зміниться тип провідності шару.

Цей ефект називають інверсією типу провідності. Після виникнення каналу струм стоку приймає кінцеве значення та залежить від напруги на затворі. Подальше збільшення напруги на затворі розширює канал і струм стоку збільшується. Це і є робочий режим МДН-транзистора. Оскільки струм у вхідному колі дуже малий, забезпечується значно більше підсилення потужності, ніж при використанні біполярних транзисторів.

а б

Рис. 6.1. МДН-транзистор:

а  cтруктура МДН-транзистора з індукованим каналом;

б  стокзатворна (керуюча) характеристика МДН – транзистора

Провідні канали, які відсутні в рівноважному стані та які утворюються під дією зовнішньої напруги, називають індукованими (наведеними полем затвору). Напругу на затворі, при якій утворюється канал, називають пороговою напругою (U_GST, її значення коливається від 1,5 до 10 В). Польові транзистори з індукованим каналом називають транзисторами збагаченого типу. Стокзатворна характеристика таких приладів зображена на рис. 6.1, б.

Створені та широко застосовуються МДН-транзистори з вбудованим n- або р-каналом, який утворюється в процесі виробництва в приповерхневому шарі структури між областями стоку та витоку рис. 6.2.

Рис. 6.2. Структура транзистора з вбудованим каналом р-типу

Внаслідок цього в таких приладах канал існує при нульовій напрузі на затворах. Залежно від полярності напруги на затворі канал може або розширятися (режим збагачення), або звужуватися (режим збіднення). Напруга між затвором і витоком, при якій заряди рівноважного інверсного шару відштовхуються від поверхні і вбудований канал зникає, називають напругою відсікання (U_GS(off)). Польові транзистори з вбудованим каналом називають транзисторами збідненого типу. Стокзатворні характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом n-типу показані на рис. 6.3.

Поширеним конструктивним варіантом польових транзисторів є МДН-тетрод. Структура такого приладу зображена на рис. 6.4. Канал приладу розділений на дві частини багатолегованою областю, яку називають з'єднувальною. МДН-тетрод можна зобразити у вигляді двох послідовно з'єднаних МДН-транзисторів. Керуючим є перший затвор, металізація якого розташована над каналом, що з'єднує витік та центральну область. Другий затвор називають екранним. Діючи як електростатичний екран, він зменшує значення прохідної ємності приладу (С_DS).

Рис. 6.3. Характеристика управління МДН-транзистора

з вбудованим n-каналом

Рис. 6.4. Структура МДН-тетрода

Це розширює діапазон стійкого підсилення каскаду в області високих частот. Крім того, напруга на другому затворі впливає на загальний опір витік-стік, а тому і на положення керувальних характеристик приладу. Сім'ю таких характеристик зображено на рис.6.5. Двозатворні ПТ дозволяють значно спростити конструювання змішувальних схем. МДН-тетроди експери-ментально досліджуються в даній лабораторній роботі.

Найважливішими статичними характеристиками ПТ є: сім'я керувальних (стокзатворних) характеристик I_D =ƒ(U_GS) при U_DS = const та сім'я вихідних (стокових) характеристик I_D=ƒ(U_DS) при U_GS = const. Керувальні (стокзатворні або прохідні) характеристики розглядалися вище і зображені на рис. 6.1.б, 6.3 та 6.5.

Рис. 6.5. Керувальні (прохідні) характеристики МДН-тетрода

Вихідні характеристики показують, що з ростом U_DS струм I_D спочатку збільшується доволі швидко. Потім при напрузі насичення U_DS.sat = U_GS – U_GS(off) відбувається зменшення каналу, і транзистор переходить в режим насичення. Це пояснюється тим, що з ростом напруги на стоці збільшується падіння напруги вздовж каналу. Це зумовлює зменшення товщини каналу при наближенні до стоку. Коли напруга стоку перевищує напругу насичення, подальше зростання струму стоку припиняється, що відповідає горизонтальній ділянці вихідної характеристики ПТ, яка називається ділянкою насичення (рис. 6.6).

За статичними характеристиками визначають статичні параметри польових транзисторів: крутість S (мА/В), внутрішній опір (кОм), коефіцієнт підсилення μ. Крутість характеристики S (провідність прямої передачі) характеризує керуючу дію затвору і визначається відношенням зміни струму стоку до зміни напруги на затворі при короткому замиканні за змінним струмом на виході транзистора в схемі із загальним стоком

Внутрішній опір характеризує вплив напруги на струм стоку

Статичний коефіцієнт підсилення μ показує в скільки разів сильніше впливає на струм стоку напруга затвору порівняно з напругою стоку

Таким чином, коефіцієнт підсилення μ=SR_ί. Поруч з високим коефіцієнтом підсилення та вхідним опором перевагою польових транзисторів є низький рівень власних шумів, стійкість до радіації.

Для розрахунку та аналізу електронних кіл з ПТ, використовують еквівалентні схеми (електричні моделі) таких приладів. Слід підкреслити, що в режимі малих амплітуд, коли робоча ділянка розташована на малому відрізку характеристик транзистора, електронне коло з ПТ можна вважати лінійним. У даному випадку використовують лінійні моделі і лінійні методи аналізу та розрахунку електричних кіл. Польовий транзистор зображено моделлю, яка показана на рис. 6.7.

У цій схемі елементом, якій відображає підсилювальну здатність транзистора, є генератор струму SU_GS, ввімкнений паралельно диференціальному опору каналу r_ί. Опори r_D та r_S являють собою об'ємні опори напівпровідника на ділянках між кінцями каналу та контактами стоку та витоку відповідно. На низьких частотах впливом r_D можна знехтувати порівняно з великими опорами навантаження та r_ί. Загальний для вхідного та вихідного кіл опір r_S є опором внутрішнього зворотного зв'язку ПТ, ввімкнутого за схемою із загальним витоком.

Рис. 6.6. Вихідні (стокові) характеристики МДН-транзистора

із вбудованим каналом n-типу

Рис. 6.7. Фізична еквівалентна схема ПТ

Крім розглянутої моделі, використовують також формальні еквівалентні схеми, наприклад з Y-параметрами (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Формальна еквівалентна схема ПТ з Y-параметрами

Польові транзистори, головним чином з індукованим каналом, широко використовують як ключові елементи. Відомі три види МДН-транзисторних ключів: з резисторним навантаженням, з динамічним (транзисторним) навантаженням та комплементарні ключі. Останні виконані на комплементарних транзисторах, тобто транзисторах з каналами протилежного типу провідності.

Найбільше поширення отримала схема зі спільним витоком (рис. 6.9), в якій керуюча напруга U_ВХ = U_GS подається на затвор, а вихідна напруга U_ВИХ знімається зі стоку. Підкладка зазвичай з'єднується з витоком. На рис. 6.9 зображено ключ з резистивно-ємнісним навантаженням на МДН-транзисторі з індукованим р-каналом, а тому до кола стоку вмикається джерело живлення  Е_D.

Ключ в робочому режимі знаходиться в одному з двох станів (відсікання або насичення). У стані відсікання ключ зачинений, через транзистор тече малий залишковий струм стоку I_DSX. На лінії навантаження (рис. 6.10) зачиненому стану ключа відповідає точка А.

Рис. 6.9. Схема ключа на МДН-транзисторі

Рис. 6.10. Вихідна характеристика та лінія навантаження

ключа на МДН-транзисторі

В режимі відсікання на вході діє вхідна напруга, яка менша за порогову ‌U_вх‌ < ‌U_GST‌. Вихідна напруга близька до напруги джерела живлення U_вих = -E_D + I_DSXR_D ≈ -E_D. У стані насичення ключ відкритий, через транзистор тече повний струм (струм насичення) I_D.sat. Такому стану ПТ відповідає робоча точка В, що лежить на початковій ділянці вихідної характеристики ПТ. У цьому режимі вхідна напруга більша за порогову ‌U_вх‌ > ‌U_GST‌, а вихідна (залишкова) U_вих=U_зал= E_D - R_DI_Dsat зменшується внаслідок збільшення падіння напруги на навантаженні. Чим менша вихідна або залишкова напруга U_зал в режимі насичення, тим кращі параметри ключа. Слід підкреслити, що принципових обмежень на зменшення значення U_зал в МДН-транзисторних ключах немає. Залишкову напругу можна зробити гранично малою, збільшуючи опір R_D та напругу затвору. Однак слід враховувати, що збільшення опору R_D зумовлює збільшення часу перемикання транзистора із відкритого стану в закритий. Більш детально це розглядається нижче. Якщо питання швидкодії ключа не є визначальним, то залишкову напругу U_зал можна значно зменшити. Це одна з важливих переваг МДН-транзисторних ключів перед біполярними, у яких значення залишкової напруги U_зал принципово обмежене залишковою напругою U_CEsat.

Необхідно звернути увагу на позначення і терміни. У біполярного транзистора залишкова напруга збігається з терміном “напруга насичення” і позначається U_CEsat. В полярному транзисторі цим терміном позначається напруга стік-витік, за якої вихідна статична характеристика стає пологою, а струм I_D залишається майже постійним при подальшому збільшенні напруги U_DS. Це не вдалий термін, він не має відношення до режиму насичення, але широко використовується при аналізі ПТ.

Відкритий МДН-транзистор тим ближче до ідеального замкненого ключа, чим менше U_зал. При цьому струм стоку, що протікає через відкритий МДН-транзистор, так само як і в ключі на БТ, практично задається зовнішнім колом (R_D та E_D) і його називають струмом насичення:

I_Dsat = (E_D – U_зал)R_D ≈ E_D / R_D.

Статичний стан відкритого ключа графічно визначається по точці перетину ВАХ навантаження (лінії навантаження) та відповідної вихідної характеристики МДН-транзистора (точка В на рис.6.10).

Значення залишкової напруги на транзисторі необхідно зменшувати, адже в режимі насичення через транзистор протікає значний струм, що зумовлює велике теплове навантаження на транзистор та значні втрати енергії. Залишкова напруга тим менша, чим більша крутість початкової ділянки вихідної характеристики транзистора і більший опір резистора R_D. Крутість ВАХ транзистора зростає при збільшенні напруги на затворі. При цьому зменшується опір каналу. Типове значення опору каналу для інтегральних транзисторів – не менше 1 Ом, для потужних – десяті частки ома. Залишкова напруга складає 100 мВ і менше.

При оцінці можливості використання МДН-транзисторів в електронних ключах важливим є їх швидкодія, яка визначається тривалістю вмикання та вимикання, тобто тривалістю перехідних процесів. Такі процеси необхідно враховувати, коли тривалість вхідних інформаційних імпульсів сумірна з тривалістю перехідних процесів. При цьому проявляється інерційність ПТ, яка визначається двома факторами: перезарядом ємності затвора C_G та перезарядом міжелектродних ємностей.

Вплив перезаряда ємності затвора враховують за допомогою сталої часу крутості τ_S, яка відображає інерційність ПТ, зумовлену поступовою зміною керувального електричного поля від витоку до стоку: τ_S = C_Gr_КАН, де r_КАН  опір каналу. Цей параметр визначається тільки властивостями самого ПТ і дає змогу встановити граничну швидкодію ключів при короткому замиканні кола стоку, коли впливом міжелектродних ємностей можна знехтувати.

За наявності опору в колі стоку R_D швидкодію МДН-транзисторів зазвичай визначають міжелектродні ємності (рис. 6.9), а впливом τ_S через малу величину (близько 0,01нс) можна знехтувати. Крім того, на виході ключа завжди існує сумарна паразитна ємність:

C₀ = C_DS + C + C_ПАР,

де C  ємність затвор-витік ПТ наступного ключа; C_ПАР  паразитна ємність монтажу.

Розглянемо перехідні процеси в МДН-ключі з резистивно-ємнісним навантаженням. Вони зумовлені інерційністю ПТ при вмиканні, тобто при перемиканні ключа з закритого стану (режиму відсікання) в режим насичення. В початковому стані ключ вимкнутий, транзистор знаходиться в режимі відсікання (U < U_GST). Ємність С₀ заряджена до напруги джерела живлення, U­_вих ≈ E_D.

Після подачі прямокутного імпульсу (вхідного інформаційного сигналу) амплітудою U > U_GST (рис. 6.11, а) протягом тривалості затримки формується новий (провідний) стан каналу. Це час затримки ввімкнення t_d(on). Він визначається інтервалом часу між моментом, коли вхідний імпульс досягає 10% свого усталеного значення, та моментом, коли вихідний імпульс досягне 10% свого усталеного значення. Цей процес в основному визначається перезарядом ємності затвору із сталою часу крутості τ_S. В загальному випадку t_d(on) дуже короткочасний процес (десяті … соті частки нс).

Після того, як сформувався проводящий стан каналу, ПТ відкривається і через канал протікає струм у відповідності з амплітудою вхідного сигналу. В нашому випадку на затворі діє напруга U , а тому струм стоку встановлюється на рівні струму стоку I .

На рис.6.10 такий процес зображено стрілкою: робоча точка ключа переходить з точки А в точку А₁. Але вихідна напруга U_DS через наявність зарядженої ємності C_o не може миттєво змінитись. Для розряду цієї ємності необхідний деякий час. Розряджається С_o через відкритий транзистор початковим струмом стоку I . Напруга на конденсаторі, а відтак і на виході ключа спадає до значення U . Робоча точка зміщується в положення А₂. На кінцевому етапі процесу вмикання, коли напруга на конденсаторі стане менше U , робоча точка зміщується в положення В. Струм стоку зменшується до рівня струму насичення I_Dsat, а напруга на виході ключа до рівня U =E_D - I_DsatR_D.

Рис.6.11. Перехідні процеси в ключі на МДН-транзисторі:

а – вхідний сигнал; б – осцилограма струму стоку;

в – осцилограма вихідної напруги

Тривалість ввімкнення ключів визначають за інтервалом часу, протягом якого ключ переходить із режиму відсікання (I_D ≈ 0) в режим насичення (I_Dsat). Цей інтервал фіксується між рівнями 10% та 90% усталеного значення струму (див. рис.5.1). Враховуючи особливість осцилограми струму стоку на ділянці А₁ – А₂ – В (рис. 6.11, б), тривалість наростання струму t_r визначимо через тривалість спадання напруги (рис. 6.11, в). Тривалість спадання напруги ПТ визначає інтервал часу, протягом якого напруга на виході ключа спадає від 90% до 10% свого усталеного значення.

Тривалість спадання напруги на виході ключа можна визначити поділивши нагромаджений на ємності С_o заряд E_DС_o на струм розряду I . Нагадаємо, що тривалість зміни напруги на конденсаторі в межах 0,9…0,1 дорівнює 2,3τ. Тривалість спадання напруги на виході:

t_r = 2,3E_DС_o / I .

Повний час увімкнення ключа складає:

t_on = t_d(on) + t_r ≈ tr, оскільки t_d(on) << t_r.

Проаналізуємо перехідні процеси в ключі на МДН-транзисторі з резистивно-ємнісним навантаженням при вимиканні. В початковому стані транзистор відкритий і на ньому падає невелика залишкова напруга U . Після закінчення дії вхідного інформаційного сигналу U <U_GST струм транзистора спаде практично до нуля зі сталою часу τ_S, а відтак на стік подається напруга U_DS = E_D – I R_D ≈ E_D. Тривалість цього процесу t_d(off) обумовлена сталою часу τ_S і визначається як затримка вимикання. За цей час канал зникає. Через наявність ємності C_o напруга U_вих не може миттєво змінитись, тому робоча точка зміщується в точку В₁. Напруга на виході залишається на рівні U . Починається заряд ємності C_o від джерела живлення E_D через резистор R_D зі сталою часу τ = R_DC_o. Вихідна напруга наростає за експоненціальним законом:

U_DS(t)= E_D(1 - e^1/ ).

Звідси можна визначити тривалість формування заднього фронту вихідного імпульсу:

t_f = 2,3R_DC_o.

Тривалість вимикання ключа:

t_off = t_d(off) + t_f ≈ t_f.

Таким чином розряд ємності C_o відбувається через відкритий транзистор значним струмом I , а заряд – через резистор R_D (одиниці кілоом), тому t_off >> t_on. Розрізнювальний час визначається:

t = t_on + t_off ≈ t_off.

Такий висновок має якісний характер, оскільки вище не враховувались нелінійність вихідної ВАХ та значна зміна еквівалентної ємності C_o при зміні напруги.

Для побудови ключів розроблені спеціальні ключові ПТ. До переваг ключових МДН-транзисторів порівняно з БТ відносяться: високоомний вхід, що дає можливість використовувати безпосередній (гальванічний) зв’язок між ключами, висока швидкодія (тривалість перемикання 1…0,4 нс), сполучення високої швидкодії з високими напругами та струмами перемикання (до 10 А за 15 нс), малий опір відкритого каналу, можливість паралельного вмикання транзисторів для збільшення потужності перемикання.

Література: [1, с.111-120]; [2, c.30-35]; [3, c.114-123]; [5]; [9]; [14].