Короткова Електротехника и електроника Основы микроелектроники 2010

В момент t t4 подадим ступеньку управляющего напряжения запирающей полярности. Напряжение на входе скачком уменьшится до уровня U вх.экв Есм . Поскольку в базе транзистора накоп-

лен избыточный заряд носителей q у ст, который не может изме-

ниться мгновенно, то и напряжения на переходах транзистора не могут измениться мгновенно. Значит, в момент подачи входного запирающего сигнала на p-n переходах сохраняется прямое смещение, а следовательно, коллекторный ток и выходное напряжение не могут меняться. Для обеспечения обратного смещения переходов (область отсечки БТ) необходимо, чтобы заряды из базы ушли, т.е. требуется время на рассасывание носителей из базы. Поскольку входное напряжение поменяло полярность на запирающую, то ба-

зовый ток принимает значение	I			Eсм		U БЭпр	, т.е. также
		Бзап			RБ
меняет направление. Благодаря	изменению направления базового

тока заряд в базе плавно уменьшается (выносится током базы), стремясь к уровню, соответствующему новому значению тока базы . Заряд в базе изменяется экспоненциально с постоянной времени накопления τ н . Когда концентрация носителей в

базе возле перехода падает до 0, переход смещается в обратном направлении (запирается). Если заряд рассасывается раньше у кол-

лекторного перехода ( qK 0 ), то запирается сначала коллекторный переход, а транзистор попадает в нормальную активную область работы (t t5 ) . Этот случай называется нормальным запира-

нием. Только после попадания в активную область ток коллектора, а следовательно, и выходное напряжение ключа могут изменяться. Процесс рассасывания избыточного заряда носителей в базе обусловливает задержку запирания:

tзд01 t5 t4	τн ln 1	I Б.m		.
		I Б.зап

Фронт запирания формируется в активной области работы БТ. Этот процесс хорошо аппроксимируется экспоненциальной функ-

цией с постоянной времени τ экв для нормальной активной области.

41

В этом случае длительность времени фронта выключения можно оценить по приближѐнной формуле:

t10 τэкв	ln	I Б.m				I Б.зап					.
		I Б.m		I Б.зап				I Б.гр
В течение этого времени ток коллектора уменьшается от I KH до
нуля, выходное напряжение	увеличивается							от			U вых U КЭН до

уровня коллекторного питания ЕК , а базовый ток уменьшается от уровня I Б.зап до нуля. Далее транзистор попадает в отсечку, таким

образом, переходный процесс запирания ключа завершѐн.

Итак, к динамическим параметрам ключа относятся времена за-

держек и фронтов. Быстродействие ключей и логических элементов на ключах оценивают по сумме времѐн этапов переходного процесса. Максимальная частота переключения равна

fмакс				1						.
	2π (t	10	t	10	t	01	t	01	)
		зд				зд

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.Выучить определения основных параметров ключа.

2.Рассчитать теоретическое значение U вх.от . (Напряжения ис-

точников питания и смещения ЕK 5 В и Есм 1 В . Номина-

лы	сопротивлений ключа: R1 1 кОм,	R2 5,1 кОм,
RК	1 кОм. )

3.Продумать, как влияют номиналы элементов схемы на основные статические параметры ключа.

4.Выучить этапы переходного процесса переключения ключа при отпирании транзистора и при запирании транзистора, продумать, как влияет на времена фронтов и задержек амплитуда управляющего сигнала.

42

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

Подключить к макету питание ЕK 5 В и смещение

Есм 1 В .

1.Определить исходное состояние ключа – замкнутое или разомкнутое, записать данные измерений. Вход ключа для управляющих сигналов заземлить.

2.Используя генератор синусоидальных сигналов и двухканальный осциллограф в соответствии со схемой измерения, приведѐнной на рис. 3.8, получить на экране осциллографа и зарисовать

зависимость – переключательную характеристику ключа.

Указание. Частота синусоидального сигнала f 50...500 Гц, амплитуда U вх.макс 3...5 В .

Осциллограф

Ключ (макет)

Выход

Вход Y1

Uупр	Вход	Вход Х

Вход Y2

Рис. 3.8. Схема снятия переключательной характеристики ключа

Измерить и записать характерные параметры переключательной характеристики ключа: U 1 , U 0 , U вх.от , U вх.гр . Рассчитать экспе-

риментальные значения параметров U лог , U акт ,	U пом1 , U пом0 .
Сравнить с теоретическими значениями.
Зарисовать в том же масштабе характеристику	, объ-
яснить еѐ ход.
43

Примечание. Для измерения уровня логического нуля U 0 увеличить масштаб по оси Y.

3. Исследовать влияние значений Есм , ЕК , R1 , RК , RН на ка-

ждый из вышеперечисленных параметров переключательной характеристики ключа.

В заключении к отчѐту объяснить ход зависимостей с точки зрения физических процессов, происходящих в ключе.

4. Наблюдать переходный процесс отпирания и запирания ключа. Зарисовать осциллограммы .

Измерить tзд01 , tзд10 , t 01 , t10 .

Указание. На вход ключа подаѐтся прямоугольный импульс с

амплитудой, равной логическому	перепаду U лог U 1 U 0 и
длительностью tИ 10 мкс.
5. Снять зависимость	. Объяснить ход зависимости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Нарисовать схему ключа, выделить в ней элементы, относящиеся к схеме управления и к самому ключу.

2.Какие статические параметры характеризуют замкнутое состояние ключа? Какие параметры БТ определяют статические параметры замкнутого ключа?

3.Какие статические параметры характеризуют разомкнутое состояние ключа?

4.Что такое переключательная характеристика? Из каких участков она состоит? Какие статические параметры ключа можно определить по переключательной характеристике ключа?

5.Что такое помехоустойчивость ключа? Почему для состояния логической единицы и состояния логического нуля помехоустой-

чивость неодинакова? Как можно увеличить помехоустойчивость по уровню логического нуля?

6. Нарисовать зависимости , , .

7. Как происходит включение ключа? Какие этапы переходного процесса при включении можно выделить? Чем определяется длительность этих этапов?

44

8. Как зависит время задержки включения от амплитуды входного управляющего сигнала? Дать теоретическое объяснение.

9. Исходное состояние ключа – замкнутое. Ключ выключают с помощью управляющего сигнала запирающей полярности. Будет

ли наблюдаться зависимость

, и если будет, то какая?

45

Лабораторная работа 4

Генераторы прямоугольных импульсов на логических элементах

Цель: изучение принципов формирования одиночных импульсов и бесконечной последовательности импульсов на логических элементах.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Генератором прямоугольных импульсов называется устройство,

которое вырабатывает на выходе последовательность импульсов с короткими фронтами ( t 10 , t 01 << t И , t П ). Генераторы могут рабо-

тать в двух режимах:

автоколебательном – схема не требует внешнего управляющего сигнала. При включении питания на выходе устройства возникают прямоугольные импульсы, параметры которых определяются параметрами самого устройства;

ждущем – устройство находится в некотором устойчивом состоянии, и только при поступлении внешнего управляющего (запускающего) сигнала генерирует на выходе один или несколько (пачку) импульсов, после чего восстанавливает свое исходное состояние и ожидает прихода следующего запускающего сигнала. Параметры выходного импульса определяются параметрами самого устройства, а момент появления связан с моментом запуска.

По принципу формирования импульса генераторы разделяются на релаксационные генераторы и генераторы с задержанной ОС.

Релаксационные генераторы. Такие генераторы используют частотно-зависимую положительную ОС (ПОС) с реактивными элементами (например, конденсаторами) в цепи ОС и пороговые свойства ключевых элементов. Релаксационным генераторам свойственно наличие временно-устойчивых состояний. Временноустойчивое состояние характеризуется сравнительно медленным изменением токов и напряжений в схеме, обусловленным накоплением или рассеиванием энергии в реактивных элементах. Медленные изменения токов и напряжений в схеме приводят в конце кон-

46

цов к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для регенеративного процесса, т.е. скачкообразного перехода из одного состояния в другое, обусловленного влиянием ПОС. Таким образом, цикл работы релаксационного генератора состоит из чередования процесса регенерации (формирования фронта или среза импульса) и процесса релаксации (формирования длительности импульса или паузы). Реактивные элементы в цепи ОС называются времязадающими, или хронирующими, так как дли-

тельность процесса перезаряда конденсатора в цепи ОС задает длительность импульса или паузы.

Релаксационные генераторы на логических элементах с од-

ной времязадающей цепью. Схема автоколебательного генератора на двух инверторах приведена на рис. 4.1.

Последовательная цепь из двух логических элементов ЛЭ1 и ЛЭ2 обладает неинвертирующей переключательной характеристикой. Конденсатор емкостью C включен в цепь положительной ОС, а резистор с сопротивлением R – в цепь отрицательной ОС (ООС).

При

разорванной

ПОС

в схеме

установится

состояние

U А

U вых1

U вых2

U пор.лог .

Это состояние при замкнутой ПОС

неустойчиво, и схема переходит в

одно из двух

состояний:

U

вых2

U 0

или U

вых2

U 1 .

Переключение произойдет практиче-

ски мгновенно, так что напряжение на емкости (UC Uвых2 Uвх1 )

измениться не успевает.

C

ЛЭ1

ЛЭ2

А

1

1

UА

Uвых2

I1

Uвых1

R

Рис. 4.1. Схема релаксационного генератора на двух ЛЭ с одной времязадающей цепью

47

На рис. 4.2 приведены временные диаграммы работы релакса-

ционного генератора. Пусть в момент времени t				0 потенциал на
входе ЛЭ1 оказался меньше порогового напряжения U A						U пор.лог ,
тогда	на выходах ЛЭ		установится состояние	U	вых1	U 1 и
U вых2	U 0 . Конденсатор С заряжается током I1 через резистор R ,
причѐм поскольку U		вых2	U 0 , то изменение напряжения на кон-

денсаторе может происходить только за счѐт изменения напряжения U А . Потенциал на входе ЛЭ1 будет расти по экспоненте с по-

стоянной времени				τ	RC, стремясь достичь уровня U вых1 U 1 .
Когда U вх1 U пор.лог					(момент времени t0 ), ЛЭ1 переключается в
состояние U			вых1	U 0 , за ним переключается ЛЭ2, устанавливается
U	вых2	U 1 . Так как напряжение на емкости не может измениться
мгновенно (UC				const ), то перепад на выходе ЛЭ2 полностью

передается через конденсатор на вход ЛЭ1, где образуется скачок напряжения, равный U лог E , затем потенциал на входе ЛЭ1

начинает уменьшаться, стремясь к уровню U 0 , с той же постоянной времени τ RC.

Поскольку при этом напряжения на выходах ЛЭ1 и ЛЭ2 не меняются, то это состояние называется временно-устойчивым. Длительность этого состояния определяется временем изменения по-

тенциала U А от начального значения (равного сразу после переключения в момент t0 U A (t0 ) U пор.лог U лог ) до порогового уровня ЛЭ1 (U A Uпор.лог ). Затем происходит практически мгновенное переключение ЛЭ1 в единичное состояние по выходу, а

ЛЭ2 – в нулевое (U вых1 U 1 , U вых2 U 0 ). Логический перепад с выхода ЛЭ2 передается на вход ЛЭ1 через конденсатор, после чего цикл повторяется.

48

UA=Uвх1

tИ

tП

U1

Uпор.лог

t

Uвых1

Uвых2 t

0

t0

t

Рис. 4.2. Временные диаграммы работы генератора

Длительности импульса и паузы зависят от параметров ЛЭ и хронирующей цепи:

tИ

RC ln

U 0

(Uпор.лог

U лог )

RC ln 1

E

;

U

0

Uпор.лог

U

пор.лог

tП

RC ln

E

(Uпор.лог

U лог )

RC ln 1

E

.

E

Uпор.лог

E

U

пор.лог

Автоколебательный генератор можно построить и на трех ЛЭ (см. рис. 4.3). Эта схема обладает лучшими параметрами, так как ООС через резистор охватывает три ЛЭ, что увеличивает коэффициент усиления по петле ОС. Принцип работы генератора аналогичен описанному ранее.

В лабораторной работе рассматриваются схемы генераторов на КМДП-логике. ЛЭ на КМДП-транзисторах характеризуется следующими параметрами: параметрами: уровень логического нуля

49

U 0 0 ,

уровень логической единицы U 1

E

ип

,

пороговое напря-

жение U пор.лог

0,5Eип , входное сопротивление в обоих состояни-

ях Rвх

,

входной ток в обоих состояниях Iвх

0 , статическая

потребляемая мощность равна нулю.

C

ЛЭ1

ЛЭ2

ЛЭ3

А

1

1

1

Uвых1

Uвых2

Uвых3

R

Рис. 4.3. Схема генератора на трѐх ЛЭ с одной времязадающей цепью

При условии, что U пор.лог	0,5Eип , длительность импульса рав-
на длительности паузы: tИ	tП RC ln 3 1,1RC , т.е. генератор

обеспечивает скважность, равную 2.

Высокое входное сопротивление ключа на КМДП-транзисторах сохраняется в открытом и закрытом состояниях, что позволяет использовать в хронирующей цепи высокоомный резистор R и расширить диапазон регулировки частоты выходной последовательности импульсов. Для ЛЭ другого типа следует учитывать влияние входного и выходного сопротивлений ЛЭ.

Ждущий генератор (одновибратор). Если ЛЭ1 имеет два вхо-

да, один из них можно использовать как управляющий, запрещая или разрешая генерацию импульса, а следовательно, обеспечить ждущий режим работы генератора. Схема ждущего генератора на двух ЛЭ приведена на рис. 4.4.

50