А.А. Шибаев

Практические занятия

Методические указания к проведению практических занятий по дисциплине «Общая электротехника и электроника-2»

2007

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет систем управления и

радиоэлектроники

Кафедра «Информационно-измерительная техника»

А.А. Шибаев

Практические занятия

методические указания к проведению практических занятий по дисциплине «Общая электротехника и электроника-2» для студентов специальности 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем»

Обеспечивающая кафедра – "Информационно-измерительная техника".

Курс – второй. Семестр – четвертый, учебный план набора 2005 года и последующих лет.

Томск 2007

Практические занятия по дисциплине «Общая электротехника и электроника-2 (региональный компонент)» в 4 семестре в соответствии с рабочей программой этой дисциплины имеет объем 17 аудиторных часов и проводятся на протяжении семестра для закрепления теоретического материала (всего 9 двухчасовых занятий).

Ниже приведен перечень тем практических занятий с изложением краткого содержания и методических указаний по их проведению.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

(тематика двухчасовых занятий)

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1.

Занятие посвящено изучению ряда активных элементов электроники, таких, как электровакуумные лампы – диоды и триоды; полупроводниковые диоды – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы, туннельные, Шоттки, оптоэлектронные; полупроводниковые транзисторы – биполярные, полевые с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. При этом рассматриваются их условные графические обозначения, системы обозначений приборов, виды и особенности их вольтамперных характеристик, рамки основных параметров, практические применения.

Попутно решается ряд задач на практическое определение статических и динамических параметров этих приборов на основе их типовых вольтамперных характеристик.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2.

Проводится контрольная работа для закрепления материала по активным элементам электроники. Один из вариантов контрольной работы приведен ниже. При выполнении контрольной работы допускается использовании любых справочных пособий.

I. Дана электрическая схема.

Исходные данные для расчета.

П редельно допустимые параметры транзистора:

1. I_{К м} – постоянный ток коллектора, мА ……………25,

2. U_КЭм – напряжение коллектор – эмиттер, В………12,

3. P_{К м} – рассеиваемая мощность коллектора, мВт…60.

Напряжение источника питания Е_К = 10 В.

Т ребуется:

- определить и нанести на графики поле допуска для рабочей точки,

- выбрать положение рабочей точки режима класса «А» при полном использовании транзистора по току (работать в пределах заданных графиков). Указать все координаты рабочей точки,

- определить потенциалы точек 1, 2, 3 и 4, а также все обозначенные на схеме токи,

- рассчитать величины резисторов R_К и R_Б,

- определить Н-параметры транзистора в рабочей точке.

II. Дана электрическая схема. Исходные данные для расчета:

С ветодиод АЛ301Б имеет прямой ток 10 мА при прямом напряжении 2,8 В.

Рассчитать величину и допустимую мощность рассеивания резистора R , если напряжение источника Е = 12 В.

III. Даны электрическая схема и ВАХ нелинейного элемента, Е = 5 В, I₀ = 10 мА.

Т ребуется:

Провести нагрузочную прямую, указать на ней положение рабочей точки, определить величину резистора R, падения напряжений на нелинейном элементе U₁ и резисторе U₂. Определить сопротивления нелинейного элемента постоянному и переменному току.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3.

Тема: изучение статических и динамических параметров ключа на биполярном транзисторе (основные параметры ТТЛ логического элемента).

Электронный ключ является основной ячейкой, на основе которой конструируется любая сколь угодно сложная цифровая структура. Электронные ключи существуют и реализуются в виде конкретных электрических схем во всех современных технологиях цифровых ИМС – биполярных (ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И²Л) и полевых (n- и p-МОП, КМОП, ИСЛ).

Транзисторные ключи служат для коммутации цепей нагрузки под воздействием внешних сигналов. Состояние «включено (замкнуто)» должно характеризоваться минимально возможным падением напряжения на ключе, а состояние «выключено (разомкнуто)» – минимально возможным током через ключ в непроводящем состоянии.

К люч на биполярном транзисторе. Начнем изучение работы простейшего ключа на биполярном транзисторе с ОЭ. Резистор R_К является внутренней

нагрузкой ключа, резистор R_Н является внешней нагрузкой ключа. Величина внешней нагрузки в реальных условиях может меняться в широких пределах. При R_H = ∞ ключ работает в режиме холостого хода. Величину R_H = R_К принято называть предельной нагрузкой. При этой нагрузке ключ еще должен сохранять свои параметры. Резистор в цепи базы R_Б служит для выбора необходимого тока базы. Показанные на схеме пунктиром конденсаторы С_вх и С_вых являются паразитными и определяются в основном барьерными емкостями эмиттерного и коллекторного переходов транзистора, а также монтажными емкостями и емкостной составляющей нагрузки. Максимальная величина этих емкостей не превышает 10-15 пикофарад.

Различают статический (по постоянному току) и динамический режимы работы ключа.

Статический режим. В статическом режиме транзистор может быть либо закрыт (режим отсечки), либо открыт (режим насыщения). Транзистор закрыт, когда на входе ключа напряжение меньше порогового напряжения логического нуля . Его определяют, как наибольшее напряжение, при котором транзистор еще закрыт. Для кремниевого биполярного транзистора) оно составляет около 0,4-0,5 В, для германиевого – около 0,2 В. Рабочая точка на нагрузочной прямой находится в состоянии отсечки (точка О). В цепи коллектора протекает обратный ток I_КЭ0 коллекторного перехода (он обычно очень мал).

Напряжение между коллектором и эмиттером, равное выходному напряжению, в закрытом состоянии ключа U_КЗ в режиме холостого хода близко к напряжению источника питания и может быть названо напряжением логической единицы U ¹:

.

Выходное сопротивление транзистора в этом режиме составляет сотни килоом .

Транзистор начинает открываться, когда на вход ключа подается напряжение, превышающее пороговое напряжение логического нуля . При этом возникает и начинает увеличиваться ток базы I_Б . Рабочая точка по нагрузочной прямой начинает перемещаться к точке насыщения (точка Н). Ток коллектора возрастает до предельно возможного I_КН  Е/R_К , напряжение между коллектором и эмиттером падает до напряжения насыщения U_КН, равного долям вольта. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы I_Б стал больше такого минимального тока базы I_БН, при котором еще только начинается режим насыщения:

.

Глубину насыщения характеризуют коэффициентом (степенью) насыщения

.

В зависимости от интенсивности помех и разброса параметров транзистора величину выбирают от 1,5 до 3. Сопротивление насыщенного ключа мало по сравнению с сопротивлением в цепи коллектора и не превышает нескольких десятков ом.

Считают, что транзистор входит в режим насыщения, когда входное напряжение превысит величину порогового напряжения логической единицы . В биполярных технологиях транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) величина этого напряжения принята близкой к 1,5 В. Продолжая рассматривать простейший ключ, примем, для определенности, Е = + 5 В, = 0,4 В, = 1,5 В.

Для насыщенного состояния кремниевого транзистора характерны такие значения разностей потенциалов между электродами: . Оба p-n-перехода в режиме насыщения смещены в прямом направлении.

В случае предельной нагрузки R_H = R_К в состоянии отсечки рабочая точка занимает положение О^' на нагрузочной прямой (пунктир), одно крайнее положение которой составляет 2,5 В, другое – то, что и прежде. При этом уровень напряжения логической единицы U ¹ составляет около 2,4 В, уровень напряжения логического нуля U ⁰ практически не меняется.

П риведем основную характеристику ключа – передаточную. Она представляет зависимость выходного напряжения ключа u_вых от входного u_вх, причем масштабы осей принимаются одинаковыми. Передаточную характеристику ключа обычно строят для случая предельной нагрузки.

Все введенные выше параметры выделены точками на осях входного и выходного напряжений. На передаточной характеристике ясно просматриваются три характерные зоны – состояния ключа – отсечки, активная и насыщения.

Важной характеристикой ключа является его помехоустойчивость. В реальных цифровых устройствах на информационных входах наряду с рабочими уровнями U ⁰ и U ¹ присутствуют помехи того или иного физического происхождения. Будучи приложены по отношению к рабочим точкам U ⁰ и U¹ эти помехи могут вызвать сбой в логике работы устройства. Вводят понятие помехоустойчивости ключа в этих рабочих точках :

помехоустойчивость ключа в области логическог нуля U ⁰_пом

U ⁰_пом = U ⁰_пор – U ⁰ и

помехоустойчивость ключа в области логической единицы U ¹_пом

U ¹_пом = U ¹ – U ¹_пор .

Численные значения этих параметров для рассматриваемого ключа при предельной нагрузке составляют соответственно U ⁰_пом = 0,4 – 0,2 = 0,2 В, U¹_пом = 2,4 – 1,5 = 0,9 В. При уменьшении нагрузки на ключ его помехоустойчивость в области логической единицы растет, а в области логического нуля практически не изменяется.

Рассмотренный ключ выполняет логическую функцию НЕ, формируя низкий уровень выходного напряжения U ⁰ при подаче высокого уровня U¹ напряжения на вход и наоборот.

Динамический режим. Переходные (динамические) процессы в ключе на биполярном транзисторе определяются двумя причинами: во-первых, процессом накопления и рассасывания неосновных носителей в базе, обеспечивающих протекание тока , во-вторых, наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов, которые заряжаются и разряжаются при переключениях.

Рассмотрим на уровне описания физических явлений упрощенную картину переходных процессов в ключе при действии на входе управляющего сигнала u_вх идеальной прямоугольной формы.

Процесс открывания ключа можно разделить на три стадии: задержка фронта, формирование фронта и начало накопления избыточного заряда в базе.

З адержка фронта коллекторного тока t_З измеряется между моментом приложения входного напряжения и моментом, когда ток коллектора достигает значения . Она обусловлена временем заряда барьерной емкости через сопротивление R_Б до уровня порогового напряжения логического нуля U ⁰_пор.

Формирование фронта t_Ф. С момента начала отпирания транзистора ток коллектора I_К нарастает. Начинает формироваться фронт выходного импульса. Когда ток коллектора достигает уровня I_КН, напряжение на коллекторе падает до уровня U_КН. В этот момент ток базы достиг величины I_БН и продолжает увеличиваться, при этом в базе начинается рост заряда неосновных носителей.

Для уменьшения времени нарастания тока коллектора до значения I_КН необходимо использовать высокочастотные транзисторы и увеличивать ток базы для более быстрого насыщения транзистора. Общее время включения t_вкл определяется как сумма времени задержки и длительности фронта t_вкл = t_З + t_Ф.

Далее токи транзистора практически не меняются, но заряд в базе продолжает нарастать до значения Q = _ I_Б с постоянной времени _. За время, равное (2  3)_ завершается процесс накопления заряда и транзистор переходит в стационарный режим.

По окончании входного импульса коллекторный ток не меняется в течение t_Р, так как происходит процесс рассасывания избыточного заряда в базе. В момент завершения рассасывания избыточного заряда режим работы транзистора соответствует границе активной области. С этого момента начинается спад коллекторного тока – интервал t_С. Одновременно со спадом коллекторного тока растет напряжение на коллекторе. Длительность этого процесса определяется постоянной времени коллекторной цепи R_К С_вых и инерционными свойствами транзистора. Общая длительность выключения t_выкл = t_Р + t_С.

По результатам анализа переходных процессов в транзисторном ключе можно предложить несколько решений, касающихся способов повышения его быстродействия:

1) применение более высокочастотных транзисторов, которые обеспечивают при прочих равных условиях меньшие времена фронта и среза;

2) уменьшение емкостей C_вх и C_вых за счет уменьшения размеров транзистора;

3) увеличение токов заряда и раз­ряда конденсаторов C_вх и C_вых за счет увеличения управ­ляю­щих токов. Одно из распространен­ных схемных решений  исполь­зование ускоряющего конденсато­ра С_уск, шунтирующего сопротивление R_Б. Емкость С_уск работает только в моменты резких перепадов входного сигнала, уве­личивая в эти моменты напряже­ние на базе, а, следовательно, и ба­зовый ток;

4 ) предельно возможное уменьшение сопротивлений R_Б и R_К с целью уменьшения постоянных времени входной и выходной цепей ключа;

5) ограничение степени насыщения или использование ненасыщенного режима ключей.

Полностью исключить время рассасывания и тем самым существенно повысить быстродействие ключа позволяет следующее схемное решение. Базово-коллекторный переход транзистора зашунтирован диодом Шоттки, имеющим малое время восстановления (< 0,1 нс), низкое напряжение отпирания (0,15  0,25) В и малое сопротивление в открытом состоянии (около 10 Ом). На рисунке диод Шоттки показан пунктиром для того, чтобы напомнить величины потенциалов базы и коллектора насыщенного транзистора до его подключения.

Диод Шоттки закрыт, пока напряжение на коллекторе превышает базовое. Когда же напряжение на коллекторе в процессе открывания ключа становится меньше, чем напряжение на базе, диод открывается, препятствуя дальнейшему росту тока базы и уменьшению напряжения на коллекторе. Действует нелинейная ООС, удерживающая коллекторный переход на грани включения. Коллекторный переход остается закрытым и насыщения и накопления избыточных зарядов в базе не происходит.

Транзистор, шунтированный диодом Шоттки, носит название транзистора Шоттки.

Интегральные биполярные технологии используют как насыщенные транзисторы (ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика), так и ненасыщенные (ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки и ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика).

Параллельно решается числовая задача расчета ключа на биполярном транзисторе КТ301 со следующими данными.

КТ301 – кремниевый планарный n-p-n – транзистор. Предназначен для усиления и генерирования колебаний на частотах до 60 МГц. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,5 г.

Электрические параметры:

1. Обратный ток коллектора I_КБ0 не более 10 мкА при температуре +85С и напряжении на коллекторе 20 В.

2. Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте: h^*_21Э= 2 при f ^*= 100 МГц, I_Э =3 мА, U_КЭ = 10 В.

3. Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером: h_{21 Э мин} = 20; h_{21 Э макс} = 60.

4. Емкость эмиттерного перехода С_Е  20 пФ.

5. Емкость коллекторного перехода С_К  10 пФ.

6. Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте .

7. Входное сопротивление при токе базы 75 мкА h_{11 Э} не менее 0,8 кОм.

Максимально допустимые параметры гарантируются при температуре окружающей среды Т_с = –55…+85 С:

1. I_{К макс} – постоянный ток коллектора, мА ………………………….10,

2. U_{ЭБ макс} – постоянное напряжение эмиттер – база, В……………..3,

3. U_{КЭ макс} – постоянное напряжение коллектор – эмиттер, В………20,

4. P_{К макс} – постоянная рассеиваемая мощность коллектора, мВт…25.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4.

Тема: выдача расчетного домашнего задания «Проектирование преобразователя кода».