Ход работы

1. Включить комбинированный прибор " Сура ", подготовить к измере­ниям осциллограф (получить на экране светящуюся линию, выставить её на середину экрана). Усилитель вертикального отклонения должен работать с открытым входом (положение переключателя = " вход", кнопка переключателя в нажатом положении).

2. Соединить вход осциллографа с выходом одного из блоков питания (гнездо "—" блока питания с гнездом "_L", "+" с "Y" усилителя). Вращением ручек грубо и плавно блока питания установить напряжение 5В. Положение переключателя чувствительность усилителя удобно выбрать 2 В/ дел. Ручка "усил.Y" должна находиться в крайнем правом положении. При правильно установленном напряжении луч на экране осциллографа должен сместится на 2,5 деления.

3. Собрать схему диодного логического элемента ИЛИ (см. рис.1). Об­щий провод диодного логического элемента соединить с общим проводом осциллографа и с гнездом "-" блока питания. Выход логическо­го элемента соединить со входом осциллографа. На входы логического элемента XI и Х2,т.е. на аноды диодов, подавать различные соче­тания логических уровней. Уровень логического "0" моделируется соединением входа логического элемента с общим проводом, а уро­вень логической " 1 " - - с " + " блока питания.

4. Составить таблицу истинности диодного логического элемента ИЛИ.

4. На один из входов логического элемента ИЛИ подать последовательность прямоугольных импульсов (переключатель "частота грубо" генератора в положении 2, амплитуда импульсов максимальна, т. е. руч­ка "амплитуда" в крайне правом положении). На другой вход логического элемента подать регулируемое положительное напряжение с блока питания. Выход логического элемента соединить со входом осциллографа. Регулируя напряжения блока питания от нуля до макси­мального значения исследовать форму и величину выходного напря­жения. Проследить, как меняется форма выходного напряжения. Сде­лать несколько зарисовок наблюдаемых осциллограмм. Сделать вы­ вод, величиной какого напряжения (большего или меньшего) определяется состояние логического элемента ИЛИ.

6 Результаты, полученные при составлении таблицы истинности логиче­ского элемента ИЛИ, оформить в виде временных диаграмм электри­ческих процессов.

7. Собрать диодный логический элемент И (см. рис.4).

Выход логического элемента (точку соединения анодов диодов и нагрузки R) соединить со входом осциллографа. Роль общего прово­да диодного логического элемента И играет общий провод осцилло­графа и блока питания. Подать на входы XI и Х2 логического эле­мента И различные сочетания логических уровней.

8. Составить таблицу истинности диодного логического элемента И.

9. Результаты, полученные при составлении таблицы истинности логического элемента И, оформить в виде временных диаграмм электриче­ских процессов.

Лабораторная работа №2

Исследование транзисторного ключа

Цель работы : Изучение принципа функционирования транзисторного

ключа; способов построения логических элементов на транзисторах и

схемного их решения.

Оборудование:

1.Панель с транзисторами и диодами, резисторами.

2 .Комбинированный прибор "Сура".

Литература:

1.Е.М. Гершензон, Г.Д. Полянина, Н.В. Соина "Радиотехника". М., 1986. 2.В.С. Ямпольский "Основы автоматики и электронно-вычислительной техники", М.,1991.

3. В.Л. Шило "Популярные цифровые микросхемы", М., 1989.

3. П.М. Грицевский, А.Е. Мамченко, Б.М. Степенский "Основы автома­тики, импульсной и вычислительной техники", М., 1987.

Контрольные вопросы:

1. Физические процессы в транзисторе.

2. Типы транзисторов. Схемы включения транзисторов. Схема ОЭ, на­ значение элементов схемы.

3. Транзистор в ключевом режиме. Схема, принцип работы, таблица ис­тинности, временные диаграммы.

4. Схема диодного транзисторного 3-И-НЕ. Принцип работы, таблица истинности, временные диаграммы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Транзисторные ключи имеют большое значение для устройств им­пульсной техники, автоматики и вычислительных машин, где широко используются логические элементы. В ключах на биполярных транзи­сторах используются все три известные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Наибольшее распространение получила последняя схема. В отличие от других схем, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется двумя его крайними состояниями: режимом отсечки и режимом насы­щения. Переход транзистора из одного режима в другой сопровождается наибольшими перепадами (изменениями) коллекторного тока и выход­ного напряжения, т.е. транзистор почти идеально выполняет функции ключевого элемента. Разомкнутому состоянию ключа соответствует ре­жим отсечки тока, при котором он закрыт. Этот режим должен обеспечиваться нулевым входным сигналом для транзистора обратной прово­димости (n-p-п). Замкнутому ключи/ соответствует режим насыщения от­крытого транзистора, в которое он вводится единичным сигналом. Эти два состояния ключа являются стационарными. При переходе ключа из одного состояния в другое транзистор быстро "проходит" через актив­ный режим и чем быстрее это проходит, тем выше быстродействие клю­ча.

Закрытое или открытое состояние ключа определяется уровнем вы­ходного напряжения, которое может быть либо больше некоторого за­данного напряжения U1, либо меньше заданного напряжения U0, при­чем U1>U0. Если выходное напряжение больше U1, то схема находится в состоянии, когда транзистор заперт.

Рис1.

Величины уровней U1 и U0 зависят только от используемой схемо­техники. Чтобы можно было однозначно анализировать выходной сиг­нал, уровни, лежащие между значениями U1 и UO, считаются запре­щенными.

Схематические особенности, определяемые этими требованиями, рассмотрим на примере транзисторного ключа, изображенного на рис.1 (транзисторный инвертор).

В схеме должны выполнятся условия: Uвых U1 при Uвх U0

Uвых U0 при Uвх U1

Эти условия должны выполнятся даже для самого неблагоприятного случая, т.е. Шых не должно быть меньше U1 при Uвх=U0 и Uвых не должно быть больше U0 при Uвх=U1. Такие условия могут быть вы­полнены соответствующим подбором уровней VI и V0,a так же вели­чинами сопротивлений R6 и Rk.

РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Пусть в схеме (рис. 1) транзистор заперт, тогда при отсутствии на­грузки выходное напряжение будет Uвых>U1. При минимальном нагру­зочном резисторе Rн=Rk выходное напряжение будет равно 0.5 Uвых.

Таким образом, 0.5 Uвых является минимальным напряжением схемы при запертом транзисторе, соответствующему разомкнутому ключу. Для гарантированного различения состояний при нём U1<0.5Uвых.

Пусть U1=2.4 В при Uвых мах=5В. Согласно условиям (1) и (2) при Uвых > U1 входное напряжение должно соответствовать уровню U0. Уровень U0 определяет такое наибольшее входное напряжение, при ко­тором транзистор еще остаётся надёжно запертым. Для кремниевых транзисторов это напряжение может быть принятым 0.4В. После выбора уровней U1 и U0 необходимо рассчитать параметры схемы таким обра­зом, чтобы при Ubx= U1 выходное напряжение удовлетворяло условию: Uвых < U0

Схема должна быть рассчитана так, чтобы это требование выполня­лось и для самого неблагоприятного случая, т. е. даже при Uвх=U1=1.5В, выходное напряжение оставалось бы меньше, чем U0=0.4B.

Коллекторное сопротивление Rk выбирается такой величины, чтобы время переключения транзистора было достаточно малым, а величина коллекторного тока не была слишком велика. Пусть Rk=5кОм. Рассчита­ем величину R6 так, чтобы при входном напряжении Uвх=1.5 В выход­ное напряжение не превышало величины U0=0.4 В. При этом ток кол­лектора Iк=1 mA.

Транзисторы, используемые в ключевых схемах, должны обладать коэффициентом усиления по току не менее 100. Тогда необходимый ток базы составит 10 мкА. Для надежного насыщения транзистора выберем I базы =100 мкА, т.е. с десятикратным запасом. С учетом всего изло­женного сопротивление в цепи базы Rб=(1.5 В - 0.4 В) / 100мкА = 9кОм. Передаточная характеристика схемы с рассчитанными параметрами представлена на рис.2. Выходное напряжение Uвых = 2.5 В при Uвх=U0=0.4В. Оно превышает на 1В минимально необходимое значе­ние U1=1.5В. Величина (Uвых - U1) называется запасом помехоустой­чивости.

Тогда для увеличения запаса помехоустойчивости в цепь базы тран­зистора ставят диод.

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

При использовании транзистора в качестве ключа представляется не­обходимым рассмотрение переходных процессов в нем. Различают не­сколько временных интервалов, характеризующих работу транзистора в импульсном режиме (рис. 4).

Рис. 4а Рис. 4б

В импульсном режиме работы инвертора (рис. 46) можно отметить, что время рассасывания tp неосновных носителей существенно превы­шает остальные временные интервалы. В течение этого времени проис­ходит запирание предварительно насыщенного транзистора (Uкэ=Uкэнас) (рис 5).

Если у открытого транзистора обеспечить Uкэ большее, чем Uкэнас, то время рассасывания существенно уменьшается. В связи с этим для увеличения быстродействия ключа используются различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора. Цифровые схемы, работающие по этому принципу, называют ненасыщенной логикой.

В схемном варианте транзисторного ключа, (рис.5) насыщение пре­дотвращается фиксацией напряжения между коллектором и эмиттером на уровне большем Uкэнас. Для этого значение напряжения источника Е1 выбирается из условия Uкэнас<Е1<Ек.

Диод УД2 и источник Е2 (Е1<Е2<Ек) предназначен для фиксации выходного напряжения при закрытом состоянии транзистора. В закры­том состоянии транзистора коллекторный ток отсутствует, УД1 закрыт,

а УД2 проводит. Ток через УД2 определяется разностью э.д.с. Ек и Е2 и сопротивлением Rk. Напряжение на выходе ключа равно Е2+Uд2 Е2, С открыванием транзистора появляется ток iк, ток через диод УД2 умень­шается, однако выходное напряжение не изменяется до тех пор, пока ток не достигнет значения Iкб.

При дальнейшем изменении коллекторного тока схема ведёт себя как обычный ключ, так как диоды УД1 и УД2 закрыты и влияние на процес­сы не оказывают. При уменьшении напряжения Uk до Е1, открывается диод УД1 и выходное напряжение фиксируется на уровне Е1-Uд1 Е1.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ В КАЧЕСТВЕ

ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Одновходовый транзисторный ключ (рис. 1) представляет собой ло­гический элемент, нулевой сигнал U0 на выходе которого получается при единичном сигнале U1 на его входе и наоборот (рис. 4). Его называ­ют инвертором или схемой логического отрицания НЕ. Благодаря транзистору элементу с усилительными и нелинейными свойствами - инвертор имеет требуемую передаточную характеристику и обеспечивает совместимость уровней входных и выходных сигналов. Передаточная характеристика инвертора получается, когда к его входу присоединена нагрузка (рис. 6).

Участок 1-2 соответствует режиму отсечки транзистора, участок 3-4- ре­жиму насыщения. Напряжение выхода на этих участках меньше Ек и больше Uкнас. из-за нагрузки. Участок 2-3 соответствует активному ре­жиму работы транзистора. В настоящее время разработано большое ко­личество схем инверторов. Широко распространены инверторы в микро­схемном исполнении. Например, в составе микросхем серии К 155 име­ется 6 инверторов (К 155 ЛHI).

Диодно-транзисторный логический элемент (ДГЛ) (рис. 7) представ­ляет собой трехвходовую диодную схему И, выход которой соединен с инвертором. В качестве источника в схеме И используется коллекторное напряжение Ек. При наличии нулевого сигнала хотя бы на одном входе схемы, потенциал А невелик, транзистор VT закрыт, и на выходе имеет место единичное напряжение "I" (логическая единица). Только при на­личии единичных сигналов на всех трёх входах диоды УД1... УДЗ за­крываются и транзистор VT открывается. Элемент выполняет логиче­ское преобразование над входными сигналами, называемое функцией И-НЕ.

Вместо диодной схемы И можно использовать группу транзисторов выполняющих функции диодов, такая логика носит название транзи­сторно-транзисторной логики (ТТЛ). Широкое применение находят многоэмиттерные транзисторы (МТ), в котором имеется база, коллектор и от 2 до 8 эмиттеров.

ХОД РАБОТЫ

1. Нарисовать схему диодно-транзисторного элемента 3-И-НЕ (рис. 7) и собрать её.

2. Установить коллекторное напряжение (+ 5 В) на блоке питания комбинированного прибора и соединить гнёзда батареи питания с зажимами "-" и "+" транзисторного логического элемента 3-И-НЕ. Для контроля состояния транзистора (открытого или закрытого) соединить коллектор транзистора с открытым входом осциллографа. Чувствительность канала вертикального отклонения осциллографа выбрать 2В/дел. Параллельно база – эмиттерному переходу транзистора подклю­чить мультиметр или осциллограф (0.5 В/д) (предел измерения посто­янного напряжения 2 В). Входы логических элементов оставить не­ подключёнными. Подать напряжение на транзисторный логический элемент.

3. Определить, какой логический уровень установился на выходе логиче­ского элемента. Записать напряжение, действующее на базе транзистора относительно его эмиттера.

Объяснить, какому состоянию транзистора (открытому или закрыто­му) соответствует установившейся логический уровень. Объяснить, какому логическому уровню (высокому или низкому) со­ответствует неподключение входов логического элемента.

4. На один из входов логического элемента подать низкий логический уровень (соединить с "-"). Определить логический уровень на выходе элемента, одновременно снять показания, соответствующие напряже­нию на базе транзистора относительно эмиттера.

Сделать вывод, какому состоянию транзистора (открытому или закры­тому) соответствует установившейся логический уровень.

5. На основании измерений сделать вывод, при каком напряжении на ба­ зе относительно эмиттера транзистор находится в открытом состоя­ ние, при каком - в закрытом. Описать процессы, происходящие о от­ крытом и закрытом транзисторах.

6. Испытать транзисторный логический элемент 3-И-НЕ по всем входам, при всех возможных комбинациях логических уровней на входах. По результатам испытаний составить таблицу истинности.

7. Используя таблицу истинности, начертить временные диаграммы электрических процессов в транзисторном логическом элементе 3-И- НЕ.

8. Подать на один из входов логического элемента 3-И-НЕ последова­тельность прямоугольных импульсов при неподключении остальных входов

(переключатель " частота грубо" в положении 2, амплитуда импульсов максимальна). Проконтролировать с помощью осциллографа входное напряжение.

Пронаблюдать осциллограммы на базе транзистора и выходного на­пряжения (на коллекторе транзистора).

Построить осциллограммы электрических процессов в транзисторном логическом элементе 3-И-НЕ.

Примечание: в отличие от временных диаграмм в диаграммах элек­трических процессов должен быть указан масштаб по оси времени и напряжения. Построенные диаграммы должны давать возможность определить по ним период, длительность и амплитуду импульсов в каждой точке схемы.