Экзаменационные вопросы на третий модуль по дисциплине «Компьютерная электроника»

1. Ключ на биполярном транзисторе. Режимы глубокой и неглубокой отсечки.

Предназначены для коммутации электрических сигналов. Их, в основном, выполняют на полупроводниковых приборах: диодах, транзисторах (биполярных и полевых).

Наиболее распространенными являются транзисторные ключи. На их основе строят триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

Схемы ключей весьма различны, но наибольшее распространение получил транзисторный ключ на основе каскада с ОЭ. Ключ в статическом режиме имеет два стационарных состояния: транзистор закрыт и рабочая точка находится в области отсечки, транзистор открыт и рабочая точка находится в области насыщения или в активной области.

При переходе ключа под воздействием входного напряжения из одного стационарного состояния в другое рабочая точка перемещается по динамической характеристике через активную область и ключ работает как обычный линейный усилитель. Этот режим называют переходным или динамическим. При этом длительность переходного режима обычно значительно меньше, чем время нахождения ключа в стационарном режиме.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Поэтому условие отсечки можно записать в виде:

U_бэ  0 ; U_бк  0.

Поскольку коллекторный переход всегда смещен в обратном направлении, то условие отсечки упростится U_бэ  0.

Различают режимы глубокой и неглубокой отсечки. Для режима глубокой отсечки необходимо выполнение условий: U _бэ  ( 35)_т U _бк  ( 35) _т. В этом случае _к = _кбо  _б = -_кбо  _э = - (_I / _N) _кбо  0.

2. Ключ на биполярном транзисторе. Эквивалентная схема в режимах отсечки и насыщения. Основные соотношения.

Предназначены для коммутации электрических сигналов. Их, в основном, выполняют на полупроводниковых приборах: диодах, транзисторах (биполярных и полевых).

Наиболее распространенными являются транзисторные ключи. На их основе строят триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

Схемы ключей весьма различны, но наибольшее распространение получил транзисторный ключ на основе каскада с ОЭ. Ключ в статическом режиме имеет два стационарных состояния: транзистор закрыт и рабочая точка находится в области отсечки, транзистор открыт и рабочая точка находится в области насыщения или в активной области.

При переходе ключа под воздействием входного напряжения из одного стационарного состояния в другое рабочая точка перемещается по динамической характеристике через активную область и ключ работает как обычный линейный усилитель. Этот режим называют переходным или динамическим. При этом длительность переходного режима обычно значительно меньше, чем время нахождения ключа в стационарном режиме.

Эквивалентная схема ключа в режиме отсечки

Эквивалентная схема ключа в Режим насыщения

Обычно U_кэн составляет десятки милливольт, а U_бэн - сотни милливольт.

Токи насыщенного транзистора определяют из соотношений

I_кн = (E_к - U_кэн) / R_к  E_к / R_к,

I_бн = I_кн / .

Для количественной оценки глубины насыщения используют параметр, называемый степенью насыщения S = I_б / I_бн  .

В ненасыщенном ключе токи через транзистор определяются соотношением

I_к = I_б + ( 1 +  ) I_кбо I_б .

Напряжение на коллекторе закрытого транзистора

U_{кэ отс} = Е_к - _кбоR_к .

Обычно R_кI_кбо  Ек , поэтому можно записать

U_{кэ отс}  Е_к .

Очевидно что сопротивление транзистора в режиме отсечки описывается соотношением

R_т  U_{кэ отс.}  I_кбо E_к  _кбо .

С уменьшением напряжения на базе до нуля транзистор продолжает оставаться в режиме отсечки но его токи изменяются. При этом ток базы остается практически неизменным _б = -_кбо, а токи коллектора и эмиттера существенно изменяются:

I_к = (1+)*_кбо _э = *_кбо.

Глубина отсечки, а также токи эмиттера и коллектора зависят от значения сопротивления в цепи базы. Базовый ток в режиме отсечки создает на резисторе R_б напряжение, которое является прямым для базового перехода. Таким образом: U_бэ = -U_вх + R_б * _кбо <0, отсюда следует условие нахождение транзистора в режиме отсечки:

_кбо * R_б < U_вх.

3. Переходные процессы транзисторного ключа.

Процесс включения транзисторного ключа условно разделяют на три этапа: задержка фронта; формирование фронта при открывании транзистора; накопление избыточного заряда в области базы.

Задержка фронта связана с перезарядом барьерных ёмкостей С_к и С_э транзистора и приводит к достаточно малому временному сдвигу фронта без изменения его формы. Поэтому длительностью этапа задержки фронта обычно пренебрегают и считают, что формирование фронта начинается сразу после поступления на вход ключа сигнала.

Рассмотрим этап формирования фронта.

Пусть в момент времени t₁ на вход подан положительный скачок напряжения, вызывающий положительный скачок отпирающего базового тока I_б1  E_б1/ R_б. С этого момента начинается этап формирования фронта, характеризуемый нарастанием тока коллектора по закону

I_к = *I_б1(1 - e^-t/),

где _ = 1/ _ - постоянная времени переходного процесса в транзисторе.

Ток коллектора стремится к величине I_б1. Но в момент t₂ ток достигает величины I_кн и его рост прекращается. На этом заканчивается этап формирования фронта. Определим длительность фронта из соотношения

I_кн = *I_б1*{1 -[(ехр(-t_ф/_)]},

откуда

t_ф = _ *ln ( *I_б1 / (*I_б1 - I_кн)).

Из анализа последнего соотношения следует, что чем больше I_б1, тем меньше длительность фронта.

На этапе накопления избыточного заряда носителей в области базы происходит нарастание некоторого тока коллектора, называемого “кажущимся”. Этап накопления заканчивается через время t_н  *_.

Процесс выключения делят на два этапа : рассасывание избыточного заряда в базе транзистора и формирование фронта при закрывании транзистора.

Этап рассасывания избыточного заряда в базе транзистора.

Пусть в момент t₃ подан запирающий потенциал, который вызывает скачок базового тока I_б2=E_б2/R_б, протекающего в направлении, противоположном первоначальному. Однако заряд в базе скачком измениться не может, поэтому начинает убывать по экспоненциальному закону. До момента t₄ в базе сохраняется избыточный заряд и никаких изменений тока коллектора I_к и напряжения U_к не происходит. В результате возникает задержка t_р среза относительно момента поступления запирающего потенциала. Для нахождения t_р можно воспользоваться понятием кажущегося тока коллектора I_к.каж., который изменяется от величины I_б1 до I_б2. Можно показать, что время рассасывания описывается соотношением

t_р = _ *ln (*I_б1 + *I_б2 ) / ( I_кн + *I_б2 ).

Время рассасывания можно уменьшить за счёт увеличения тока базы I_б2.

Формирование среза начинается в момент времени t₄. Ток коллектора снижается по экспоненциальному закону до величины I_ко. Длительность среза определяют по соотношению

t_с = _ *ln ( I_кн + *I_б2 ) / (0,1 I_кн + *I_б2 ).

Одновременно уменьшается выходное напряжение.

Повышение быстродействия связанно с выполнением противоречивых требований: для уменьшения t_ф необходимо увеличивать ток базы, а для уменьшения t_р - уменьшать.

Быстродействие ключа существенно зависит от величин паразитных ёмкостей, в частности С_к и С_н. Для их учёта вводят эквивалентную постоянную времени переходного процесса

_экв  _ + k(1+) C_к R_к + C_н R_к,

где k - коэффициент, зависящий от степени насыщения и приблизительно равный 1,3 - 1,6.

4. Быстродействующий ключ с ускоряющим конденсатором.

В начальный момент времени отпирающий базовый ток равен I_б1нач  E_б1/R_г. Ток базы за счёт заряда конденсатора уменьшается по экспоненциальному закону до величины

I_б1 = E_б1 / (R_г + R_б).

Если  >> t_ф, то можно считать базовый ток во время фронта неизменным.

Кажущийся ток коллектора уменьшится до величины *I_б1, степень насыщения транзистора будет незначительной.

В начальный момент этапа рассасывания запирающий ток базы

I_б2=(E_б1+E_б2)/R_г.

Поскольку степень насыщения мала, а запирающий ток велик, время рассасывания t_ф и длительность среза t_с уменьшаются.

После запирания транзистора на его базе окажется дополнительное динамическое смещение, которое уменьшается по мере разряда конденсатора через резистор R_б. К приходу очередного отпирающего импульса конденсатор должен полностью разрядиться, что в ряде случаев трудно технически выполнить. Для устранения этого недостатка используют диодную фиксацию. При подаче запирающего напряжения на базу диод открывается и конденсатор быстро разряжается через сопротивление диода VD1 и внутреннее сопротивление источника сигнала.