Лабораторне завдання № 1 Цифровий ключ на біполярному транзисторі Мета роботи: ознайомитися з принципом роботи цифрового ключа; розрахувати параметри елементів цифрового ключа; провести комп’ютерне моделювання роботи цифрового ключа. 1. Короткі теоретичні відомості Транзисторний ключ на біполярному транзисторі є підсилювачем, який працює у режимі класу В (ненасичений ключ) або в режимі класу О (насичений ключ). Стандартна схема ключа зображена на рис. 1.1. Базовий дільник підсилювача замінено схемою базового зміщення, що складається з опору RБ і джерела ЕБ, яка забезпечує закривання транзистора при малих вхідних сигналах (як правило при напрузі, що відповідає напрузі логічного нуля). Крім того через опір RБ здійснюється виведення нерівноважних носіїв з бази при закриванні Рис. 1.1. транзистора, що зменшує час їхнього розсмоктування і прискорює роботу схеми. Розглянемо статичні режими роботи транзисторного ключа. Для вузла ―Б‖ згідно із 1-м законом Кірхгофа: I1 I2 IБ . (1) Вираз (1) можна переписати в такому вигляді: EC UБЕ UБЕ EБ ІБ . R RС RБ (2) Транзистор може працювати в трьох режимах: відсічки, активному і насичення. Щоб визначити, при яких значеннях ЕРС джерела сигналу ЕС реалізується потрібний режим, визначимо ЕС з виразу (2): Рис. 1.2. EC UБЕ (1 R RC R RC ) ЕБ ІБ (R RC ) . RБ RБ 3 (3) Ключ вважається закритим, якщо транзистор знаходиться у режимі відсічки. В цьому випадку ІБ = 0, а напруга UБЕ не перевищує порогового значення UБЕ ПОР (див. рис. 1.2), тобто UБЕ ≤ UБЕ ПОР, тому EC UБЕ ПОР (1 R RC R RC . ) ЕБ RБ RБ (4) При таких вхідних сигналах ключ закритий. Ключ вважається відкритим, якщо транзистор знаходиться в активному режимі (для ненасиченого ключа) або в режимі насичення (для насиченого ключа). При збільшенні ЕРС джерела сигналу ЕС транзистор спочатку переходить в активний режим. При цьому із зростанням ЕС базовий і колекторний струми транзистора також зростають, а потенціал колектора транзистора зменшується. При деякому значенні ЕС ГР потенціал колектора виявиться нижчим за потенціал бази на величину UПОР для колекторного переходу: UK UБ UПОР , колекторно-базовий перехід відкриється і транзистор перейде в режим насичення. Значенню ЕС ГР відповідає базовий струм ІБ НАС ГР. Це мінімальний базовий струм, при якому транзистор переходить в насичення. Значення ІБ НАС ГР залежить не лише від властивостей транзистора, але і від напруги живлення і опору у колі його колектора. При подальшому збільшенні ЕС базовий струм транзистора продовжує збільшуватися, а колекторний струм залишається незмінним і рівним ІK НАС UП UKЕ НАС . RK (5) Дійсно, опір насиченого транзистора малий в порівнянні з опором у колі колектора RK, тому струм IK НАС не залежить від вхідного сигналу. Напруга UКЕ НАС, що відповідає режиму насичення, мала за величиною і практично не змінюється при збільшенні ступеня насичення; надалі вважатимемо її постійною. Базовий струм ІБ НАС ГР може бути визначений за допомогою параметра h21Е: І U UKЕ НАС . (6) IБ НАС ГР K НАС П h21E h21E RK Слід зазначити, що h-параметрами транзистора можна користуватися тільки для активного режиму. Формула (6) відповідає базовому струму на межі активного режиму і режиму насичення, коли h-параметри ще працюють. Ступінь насичення транзистора характеризується коефіцієнтом насичення, рівним: 4 KНАС IБ IБ НАС ГР . (7) Тут ІБ - базовий струм насиченого транзистора. Коефіцієнт насичення вводиться тільки для насичених транзисторів, тому його значення завжди більше одиниці. Визначимо тепер значення ЕРС вхідного сигналу ЕСГР, при якому транзистор переходить в насичення. Напругу UБЕ НАС в режимі насичення вважатимемо відомою і не залежною від ступеня насичення. Підставивши у вираз (3) ІБ = ІБ НАС ГР з (6) та UБЕ = UБЕ НАС, отримаємо EC ГР UБЕ НАС (1 R RC R RC UП UKЕ НАС ) ЕБ (R RC ) . RБ RБ h21E RK (8) При усіх ЕС>ЕСГР транзистор знаходитиметься в насиченні. Користуючись загальною формулою (3), можна визначити, при якому вхідному сигналі ЕС досягається заданий ступінь насичення. Для цього потрібно прийняти, що ІБ = KНАС · ІБ НАС ГР, і тоді EC ГР UБЕ НАС (1 R RC R RC UП UKЕ НАС ) ЕБ (R RC ) KНАС . RБ RБ h21E RK (9) 2. Завдання до роботи Навести опис принципу дії і розрахунок параметрів елементів схеми цифрового насиченого ключа на біполярному транзисторі згідно з вхідними даними1: значення опорів резистора в колі бази RБ та резистора на вході схеми R, а також значення ЕРС джерела сигналу EC, при яких реалізується режим відсічки та режим насичення. Для заданого типу транзистора (чи для його зарубіжного аналога) провести комп’ютерне моделювання роботи схеми цифрового насиченого ключа в програмному пакеті NI Multisim. 1 Вхідні дані для розрахунку параметрів елементів схеми цифрового насиченого ключа на біполярному транзисторі містяться в табл. 1.1 (номер варіанту відповідає порядковому номеру студента у списку): тип транзистора; UП — напруга живлення схеми; h21E — статичний коефіцієнт передачі струму транзистором у схемі зі спільним емітером; RK – опір резистора в колі колектора транзистора; │ЕБ│ - ЕРС джерела зміщення в колі бази транзистора; UВХ min – нижнє порогове значення напруги на вході ключа, при UВХ < UВХ min транзистор повинен знаходитися у режимі відсічки ( транзистор закритий); UВХ max – верхнє порогове значення напруги на вході ключа, при UВХ >UВХ max – транзистор повинен знаходитися у режимі насичення (транзистор відкритий); RС — внутрішній опір джерела сигналу. 5 Таблиця 1.1 Номер варіанту Тип UП,В h21E транзистора RK, кОм │ЕБ│, UВХmin UВХmax В ,В ,В RС, кОм 1 ГТ328А 12 20 4 1 0,8 2,5 0,1 2 ГТ328Б 10 40 2,5 1,1 0,75 2,2 0,2 3 ГТ328В 8 10 4 1,2 0,85 2,7 0,3 4 КТ611А 50 10 5 1,3 0,95 3,05 0,4 5 КТ611Б 60 30 2 1,3 1 3,25 0,5 6 КТ611В 70 25 3,5 1,2 1,05 3,45 0,6 7 КТ611Г 80 35 3,2 1,1 1,1 3,7 0,5 8 ГТ703А 10 30 0,025 1 0,32 1,8 0,4 9 ГТ703Б 8 55 0,02 1,1 0,41 1,91 0,3 10 ГТ703В 12 35 0,02 1,2 0,45 1,98 0,2 11 ГТ703Г 14 50 0,028 1,3 0,35 1,86 0,1 12 ГТ703Д 15 20 0,0125 1,3 0,28 1,76 0,09 13 1Т734А 6 10 1 1,2 0,5 1,5 0,08 14 1Т386А -10 10 2 1,1 -0,55 -1,55 0,07 15 КТ347А -6 30 1,5 1 -1,2 -3,4 0,06 16 КТ347Б -7 35 1 1,1 -1,25 -3,8 0,05 17 КТ347В -8 50 1 1,2 -1,15 -4 0,06 18 КТ610А 1,6 50 0,01 1,3 1,5 4 0,07 19 КТ610Б 1,2 20 0,015 1,3 1,45 4,2 0,08 20 ГТ705А 6 30 0,02 1,2 1,22 4,3 0,09 21 ГТ705Б 7 55 0,07 1,1 1,32 4,5 0,1 6 Номер варіанту Тип UП,В h21E транзистора RK, кОм │ЕБ│, UВХmin UВХmax RС, В ,В ,В кОм 22 ГТ705В 10 35 0,02 1 1,42 4,7 0,2 23 ГТ705Г 5 50 0,01 1,1 1,52 4,9 0,3 24 ГТ705Д 12 90 0,02 1,2 1,62 5 0,4 25 КТ807А 15 15 0,03 1,3 1,1 5,5 0,5 26 КТ807Б 30 30 0,05 1,3 1,2 4,8 0,6 27 2Т907А 16 10 0,04 1,2 0,8 3,2 0,5 28 2Т920А 10 30 0,05 1,1 1,25 4,75 0,4 29 2Т920Б 8 40 0,02 1 1 3 0,3 30 2Т920В 4 25 0,001 1,1 1,3 3,9 0,2 3. Оформлення звіту по роботі Вказати назву роботи та її мету. Навести схему пристрою та розрахунок параметрів його елементів. Навести результати комп’ютерного моделювання роботи пристрою та дати пояснення до них. Зробити висновки щодо результатів виконаної роботи. 4. Контрольні питання Чи біполярний транзистор є ідеальним ключем? Відповідь поясніть. Намалюйте передавальну характеристику біполярного транзистора і вкажіть три режими його роботи. Якою повинна бути напруга на базі транзистора щоб його закрити? Чи залежить її значення від провідності транзистора? Відповідь поясніть. Якою повинна бути напруга на базі транзистора щоб перевести його в режим насичення і база втратила керуючу дію? Відповідь поясніть. Чим визначається швидкодія біполярного насиченого ключа? Що таке інерційність ключа? Які є способи підвищення швидкодії ключів на біполярних транзисторах? 7
