Название: упражнения по основам электроники(Б. Х. Левин, Л.И. Малинин)

Жанр: Информатика

Просмотров: 1187


Упражнение  № 2

 

БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

И КЛЮЧИ НА ИХ ОСНОВЕ

 

Вопросы для подготовки к упражнению

 

Почему транзисторы одного из видов называются биполярными?

С чем связано название прибора «транзистор»?

Как отличаются области эмиттера, базы и коллектора биполярного транзистора по концентрации носителей зарядов?

Как отличаются области эмиттера, базы и коллектора биполярного транзистора по размерам?

В каких режимах может работать транзистор?

Как обеспечивается работа биполярного транзистора в каждом из возможных режимов?

Чем транзисторный ключ отличается от диодного ключа?

В чем достоинство ненасыщенного транзисторного ключа по сравнению с насыщенным ключом?

Почему один из видов транзисторов называется полевым?

Каковы достоинства и недостатки полевого транзистор по сравнению с биполярным транзистором?

Какие существуют разновидности полевых транзисторов?

Какова структура транзистора Шоттки и чем отличается его работа от работы обычного биполярного транзистора?

 Какова структура транзистора Дарлингтона и чем отличается его работа от работы обычного биполярного транзистора?

Каковы структуры композитных P-N-P и N-P-N транзисторов и чем отличается их работа от работы обычного биполярного транзистора?

 Что такое каскод на биполярных транзисторах?

 Каковы достоинства и недостатки каскода на биполярных транзисторах?

Каковы достоинства и недостатки каскода на полевых транзисторах?

От чего зависит мощность потерь транзисторного ключа?

Как можно уменьшить время включения транзисторного ключа?

Как можно уменьшить время отключения транзисторного ключа?

 

Пример анализа работы устройства

 

Проанализируем работу ключевого устройства на биполярных транзисторах, схема которого приведена на рис. 5.

Устройство предназначено для инвертирования логического уровня сигнала на входе 1 в логический уровень сигнала на выходе 5. Устройство состоит из каскода на транзисторах VT2, VT3, управляемого фазоинверсным каскадом на транзисторе VT1. Нагрузочными элементами устройства служат резистор R5 и конденсатор С.

На рис. 6 приведены временные диаграммы напряжений на элементах схемы устройства.

Рис. 5

 

Рис. 6

 

 

 

 

 

 

 

 

На интервале времени (0 – t1) входное напряжение U10 равно нулю. Транзистор VT1 не имеет базового тока и находится в режиме отсечки. По той же причине и в том же режиме находится транзистор VT3.

В цепи базы транзистора VT2 есть ток от положительного контакта источника Е, через резистор R3, диод VD1, переход «база – эмиттер» VT2 и резистор R5. Транзистор VT2 находится в режиме насыщения. Напряжение на выходе схемы (U50), близко к ЭДС источника питания, что соответствует логической единице.

На интервале времени (t1 – t2) входное напряжение U10 значительно больше нуля (логическая единица). Из баз в эмиттеры транзисторов VT1, VT3 идет ток, и они переключаются в режим насыщения. Напряжение U50 падает до уровня логического нуля. Напряжение U20 становится практически равным напряжению на переходе «база – эмиттер» VT3. Оно меньше суммы пороговых напряжений диода VD1 и перехода «база – эмиттер» VT2 и не способно создать ток в базе транзистора VT2, который переходит в режим отсечки.

В момент t2 входное напряжение снижается до нуля. Транзистор VT3 переходит в режим отсечки, а транзистор VT2 – в режим насыщения. Идет быстрый процесс заряда конденсатора С с постоянной времени t = C*R4. Сопротивление резистора R4 весьма мало, так как он служит лишь для ограничения тока в момент смены режимов работы транзисторов VT2, VT3 (запирание насыщенного транзистора длится дольше, чем отпирание запертого транзистора).

Проанализируем работу ключевых устройств на полевых транзисторах, схемы которых приведены на рис. 7 и 8, а диаграммы работы – на рис. 9.

 

                            Рис. 7                                              Рис. 8

В схеме на рис. 7 использованы однотипные N-канальные МОП-транзисторы, а в схеме на рис. 8 -– комплиментарные МОП -транзисторы: VT1 – с N каналом, а VT2 - с Р каналом.

На интервале времени 0 – t1 напряжение U12 близко к нулю. В транзисторе VT1 N канал не индуцирован. Этот транзистор заперт.

В схеме на рис. 7 напряжение U42 близко к Е. Разность потенциалов между затвором и подложкой близка к нулю. Состояние транзистора VT2 характеризуется рабочей точкой, расположенной  на вертикальной части зависимости его тока стока от напряжения «сток – исток», где его дифференциальное сопротивление близко к нулю.

Происходит быстрый процесс заряда конденсатора С1 через транзистор VT2 до напряжения, близкого к Е.

На рассматриваемом интервале в схеме на рис. 8 напряжение U13 – меньше нуля. Это вызывает индуцирование Р канала в транзисторе VT2 и переход его в режим насыщения.

Рис. 9

 

Происходит быстрый процесс заряда конденсатора С1 через транзистор VT2 до напряжения, близкого к Е.

На интервале времени t1 – t2 напряжение U12 близко к Е. В обеих схемах в транзисторе VT1 индуцируется N канал. Он переходит в режим насыщения и через него происходит быстрый разряд конденсатора С до напряжения, близкого к нулю.

 

В схеме на рис. 7 напряжение U34 увеличивается до уровня, близкого к Е.

Состояние транзистора VT2 характеризуется рабочей точкой, расположенной на горизонтальной части зависимости его тока стока от напряжения “сток – исток”, где его дифференциальное сопротивление близко к бесконечности.

В схеме на рис. 8 напряжение U13 близко к нулю. В транзисторе VT2 отсутствует Р канал и этот транзистор находится в режиме отсечки.

 

Задания для самостоятельной работы

 

Устройство на рис. 5

 

Как изменится работа устройства в случае разрыва в цепи коллектора транзистора VT1?

Как изменится работа устройства в случае короткого замыкания между коллектором и эмиттером транзистора VT1?

Как изменится работа устройства в случае разрыва в цепи резистора R3?

Как изменится работа устройства в случае короткого замыкания резистора R3?

Как изменится работа устройства в случае разрыва в цепи диода VD1?

Как изменится работа устройства в случае короткого замыкания диода VD1?

Как изменится работа устройства в случае увеличения сопротивления резистора R4?

Как изменится работа устройства в случае увеличения емкости конденсатора С?

Как изменится работа устройства, если все транзисторы в нем заменить транзисторами Шоттки ?

Как изменится работа устройства, если вместо диода VD1 и транзистораVT2 включить составной транзистор (схему Дарлингтона)?

Как изменится работа устройства в случае короткого замыкания между коллектором и эмиттером транзистора VT2?

 Как изменится работа устройства в случае короткого замыкания между коллектором и эмиттером транзистора VT3?

 

Устройства на рис. 7 и 8

 

Какие достоинства имеют устройства на рис. 7 и 8 по сравнению с устройством на рис.5?

Какое из устройств изготавливается по наиболее простой технологии?

Какое из устройств на рис. 7 и 8 потребляет меньшую энергию в динамическом режиме работы?

Какое из устройств на рис. 7 и 8 имеет меньшее время переключения?

 

Синтез ключевых устройств на транзисторах

 

Приведите схему устройства, реализующего связь между входными и выходными сигналами, приведенными на временных диаграммах на рис. У2.

 

 

Рис. У2

 

 

Рис. У2 (окончание)