Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

6.1 Теоретические сведения

 

Импульсный режим характерен для работы транзисто­ра в цифровых логических и запоминающих схемах, широ­ко используемых в ЭВМ и устройствах цифровой автома­тики, в схемах генераторов, преобразователей импульсов и др. Для этих схем типичны переключение транзистора за короткое время из состояния с высоким коллекторным на­пряжением и малым током в состояние с малым напряже­нием и большим током (включение) и обратное переклю­чение (выключение). При этом токи и напряжения в тран­зисторе изменяются в широких пределах, так что в боль­шинстве случаев проявляется нелинейность его характери­стик. Поэтому импульсный режим называют также режи­мом большого сигнала.

 

а) б)

 

Рис.6.1

 

Рассмотрим простейшую схему ключа, представленную на рис. 6.1, а и содержащую транзистор, включенный по схеме ОЭ, и резисторы и в базовой и коллекторной цепях (штриховой линией показано подключение нагрузоч­ного конденсатора , емкость которого складывается из выходной емкости данного ключа и входной емкости на­грузки). В коллекторной цепи включен источник постоянно­го напряжения .

Если на вход подано постоянное отрицательное напряжение, то транзистор находится в режиме отсечки, ток коллектора, протекающий через резистор , практически равен нулю, а напряжение на выходе равно напряжению источника питания , что соответствует закрытому состоянию ключа. Если же на входе действует достаточно высокое положительное напряжение , то в цепи базы транзистора течет ток, равный , где – прямое напряжение база – эмиттер. При этом в коллекторной цепи протекает ток , создающий падение напряжения на резисторе . Напряжение на выходе уменьшается на величину , что соответствует открытому состоянию ключа.

Выходное напряжение в открытом состоянии можно определить, если построить выходную характеристику при , показанную на рис. 6.1, б, и провести нагрузочную линию, соответствующую резистору . Обычно требуется, чтобы напряжение было как можно меньше и слабо зависело от входного напряжения и сопротивления . Эти требования удовлетворяются, если рабочая точка А лежит на крутом участке характеристики транзистора, соответствующем режиму насыщения. Тогда , где – напряжение насыщения. При этом должно выполняться условие существования режима насыщения, т. е.

 

, (6.1)

 

где – ток коллектора в режиме насыщения. Поскольку , то можно считать,что .

Время задержки. Рассмотрим переходные процессы в схеме ключа (рис. 6.1, а), когда на ее вход подается импульс напряжения; соответствующие временные диаграммы приведены на рис. 6.2. При , так что транзистор находится в режиме отсечки, базовый и коллекторный токи пренебрежимо малы, напряжение на базе равно а на выходе . После скачкообразного изменения входного напряжения от до при скачком устанавливается базовый ток, который при не зависит от напряжения и поэтому постоянен: (рис. 6.2, б).

 

 

Рис. 6.2

 

Напряжение не может измениться скачком из-за влияния емкости между выводом базы и общей нулевой шиной; эта емкость складывается из барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Так как в течение времени задержки напряжение на коллекторе остается постоянным, то напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах изменяются на одинаковое значение, поэтому их барьерные емкости суммируются.

В момент времени (рис. 6.2, в) напряжение достигает порогового значения , при котором начинается интенсивная инжекция электронов из эмиттера в базу. При этом проявляется большая диффузионная емкость , поэтому рост напряжения замедляется. В коллекторной цепи появляется ток (рис. 6.2, д), создающий падение напряжения на резисторе , поэтому выходное напряжение начинает понижаться (рис. 6.2, е).

Интервал времени между моментом нарастания фронта входного импульса тока до значения, соответствующего 10% его амплитуды, и моментом нарастания фронта выходного импульса тока до значения, соответствующего 10 % его амплитуды, называют (согласно ГОСТ) временем задержки .

В простейшем случае, когда на входе напряжение нарастает мгновенно, , где – момент времени, соответствующий нарастанию тока коллектора до значения, равного 0,1 . За это время выходное напряжение понижается на величину , где – амплитуда выходного напряжения. Поскольку в течение времени задержки напряжение изменяется от до , это время можно оценить по формуле

 

, (6.2)

 

где , , – усредненные барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

Пороговое напряжение мало отличается от напряжения прямого смещения эмиттерного перехода в статическом режиме , последнее можно использовать в этой формуле для приближенной оценки времени задержки. Время задержки , измеряемое при заданных значениях тока и напряжения , является одним из основных импульсных параметров транзистора.

Время нарастания. При коллекторный ток нарастает до , а выходное напряжение уменьшается до значения Интервал времени между моментом нарастания фронта выходного импульса тока от значения, соответствующего 10 % его амплитуды, до значения, соответствующего 90 % его амплитуды, называют временем нарастания (). В момент времени коллекторный ток равен 0,9 , а выходное напряжение снижается до .

В течение стадии нарастания коллекторного тока транзистор находится в активном режиме. Время нарастания определяется инерционностью транзистора, – это время пролета электронов через область базы и коллекторного перехода и время перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода. В данном случае емкость перезаряжается через резистор , причем сопротивлением коллекторного слоя можно пренебречь, так как обычно . Влиянием барьерной емкости эмиттерного перехода в течение этой стадии можно пренебречь, так как напряжение на нем изменяется незначительно. В то же время следует учитывать влияние емкости нагрузочного конденсатора, поскольку напряжение на нем изменяется на величину 0,8 .

Анализ показывает, что в течение стадии нарастания коллекторный ток увеличивается, а выходное напряжение уменьшается приблизительно экспоненциально с постоянной времени

 

, (6.3)

 

где – суммарное время пролета базы и коллекторного перехода.

Время нарастания

 

. (6.4)

 

В маломощных ключевых схемах рабочие токи уменьшают, увеличивая сопротивления резисторов, при этом и , т. е. постоянная времени сильно зависит от параметров схемы (, ), а не только от параметров транзистора.

Суммарное время называется временем включения. Для уменьшения времени включения необходимо уменьшать емкости , , , суммарное время пролета и увеличивать β.

Начиная с момента времени (рис. 6.2, г) в базе накапливается заряд электронов . В момент времени он достигает значения , характерного для активного режима при . При транзистор переходит в режим насыщения, а заряд стремится к значению , характерному для этого режима. Одновременно при происходит накопление заряда дырок в коллекторе, этот заряд стремится к значению , соответствующему установившемуся режиму насыщения. Таким образом, в транзисторе накапливается избыточный (по сравнению с активным режимом) заряд неосновных носителей . На этом этапе () коллекторный ток и выходное напряжение изменяются незначительно.

Время рассасывания. Предположим, что при входное напряжение мгновенно изменяется от значения до , после чего начинается процесс выключения. В цепи базы появляется отрицательный ток при . С этим током связано скачкообразное понижение напряжения на базе, обусловленное изменением напряжения на сопротивлении базы . Большой отрицательный базовый ток образуется движением электронов, накопленных в базе в режиме насыщения. Этот ток имеет ту же природу, что и обратный ток р-п -перехода при выключении. На эмиттерном и коллекторном переходах остаются прямые напряжения до тех пор, пока концентрация избыточных неосновных носителей у границ переходов в базе и коллекторе не уменьшится до нуля. Это явление аналогично сохранению прямого напряжения на р-п -переходе при переключении с прямого тока на обратный. Таким образом, на этой стадии на базе сохраняется положительное напряжение, ток коллектора остается постоянным, равным , а выходное напряжение – низким, равным .

Интервал времени между моментом подачи на базу запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе транзистора достигает заданного уровня, равного , называется временем рассасывания . Согласно рис, . К моменту времени избыточный заряд удаляется, транзистор переходит из режима насыщения в активный режим, начинается спад коллекторного тока и повышение выходного напряжения.

Уменьшение избыточного заряда во времени описывается экспоненциальной зависимостью с постоянной времени , близкой к эффективному времени жизни неосновных носителей заряда в коллекторе . Время рассасывания

 

. (6.5)

 

Большая часть избыточного заряда накапливается в коллекторе и пассивной базе, поэтому постоянная времени в основном определяется эффективным временем жизни дырок в коллекторе и зависит также от эффективного времени жизни электронов в пассивной базе. Для снижения этих величин применяют легирование специальными примесями, например золотом, создающими центры рекомбинации, которые уменьшают объемное время жизни. Время рассасывания, уменьшается при увеличении тока , удаляющего избыточные электроны из базы.

Время спада. При коллекторный ток уменьшается до нуля (рис. 6.2, д), а выходное напряжение повышается до .

Интервал времени спада выходного импульса тока от значения, соответствующего 90 % его амплитуды, до значения, соответствующего 10 % его амплитуды, называется (согласно ГОСТ) временем спада . При малой емкости нагрузочного конденсатора () повышение выходного напряжения заканчивается в момент времени одновременно со спадом до нуля коллекторного тока, при этом ток и напряжение изменяются во времени приблизительно по экспоненциальным законам с одинаковой постоянной времени, характерной для времени нарастания , а время спада

 

. (6.6)

 

Суммарное время называется временем выключения. При большой емкости время повышения выходного напряжения (штриховая линия на рис. 6.2, е) может значительно превысить время спада тока . После прекращения коллекторного тока (т. е. при ) переходный процесс нарастания напряжения определяется только зарядкой нагрузочного конденсатора через резистор . В этом случае .

 

6.2 Цель работы

 

Научиться измерять временные параметры биполярных транзисторов

 

6.3 Задачи

 

Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:

– собрать схему для измерения временных параметров биполярных транзисторов;

– получить на экране двухканального осциллографа осциллограммы входных и выходных импульсов;

– используя метод калиброванной развертки, измерить время задержки, время нарастания, время включения, время рассасывания, время спада, время выключения при различных значениях тока базы;

– построить графики зависимости временных параметров от насыщающего и запирающего тока базы.

 

6.4 Порядок работы и методы решения задач

 

6.4.1 Получите у преподавателя транзистор, параметры которого необходимо измерить. По справочнику /1/ определите тип проводимости и минимальное значение коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

6.4.2 Соберите схему для измерения временных параметров, которая в основном соответствует схеме, изображенной на рис. 6.3. Резисторы, конденсатор, ограничитель напряжения и колодка для подключения транзистора размещены в блоке контактного устройства, которое имеет разъем для подключения постоянного напряжения коллектора и высокочастотные разъемы для подключения генераторов импульсов и измерителя временных интервалов. Полярность источника постоянного напряжения коллектора HY 150SD должна соответствовать типу проводимости измеряемого транзистора; в случае n-p-n к коллектору должно быть приложено положительное напряжение относительно эмиттера (красный провод к плюсу источника, белый – к минусу), в случае p-n-p – отрицательное (белый провод к плюсу источника, красный – к минусу). В качестве генератора насыщающих импульсов G1 используйте первый канал генератора Г5-56, в качестве генератора запирающих импульсов G2 – второй канал. Полярность импульсов устанавливается в зависимости от типа проводимости. Если измеряется n-p-n транзистор, то насыщающий импульс должен быть положительным, а запирающий импульс – отрицательным, а в случае p-n-p транзистора – наоборот. Функцию измерителей временных интервалов PT1 и PT2 выполняют соответственно первый и второй каналы двухканального осциллографа АСК-1021. Вход первого канала (CH1) посредством высокочастотного тройника соединяется с генератором насыщающих импульсов (первый канал Г5-56). На вход второго канала (CH2) поступает сигнал с коллектора транзистора; перед началом измерений второй канал используется для контроля точного совмещения моментов окончания насыщающего импульса и начала запирающего импульса, поэтому подключите его к высокочастотному разъему, расположенному напротив контакта базы.

 

Рис 6.3

 

6.4.3 Представьте собранную схему преподавателю для контроля и получите разрешение на проведение измерений.

6.4.4 Включите питание генератора Г5-56 и осциллографа АСК-1021. Установите период следования прямоугольных импульсов 30 мкс, временной сдвиг импульса первого канала 1 мкс, временной сдвиг импульса второго канала 5 мкс, длительность импульса первого канала 4 мкс, длительность импульса второго канала 7 мкс. Значения могут быть и другими, но необходимо, чтобы временной сдвиг импульса второго канала превышал временной сдвиг импульса первого канала на длительность импульса первого канала. Установите полярность импульсов в зависимости от типа проводимости транзистора (п. 6.4.2). Рассчитайте минимальное значение тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения (6.1), предварительно определив при = 110 Ом и , считая, что . Результат расчета округлите в большую сторону до целочисленного значения (в мА). Рассчитайте и установите соответствующую этому току амплитуду насыщающих импульсов (генератор G1) по формуле

 

. (6.7)

 

При расчете принять напряжение между базой и эмиттером транзистора равным 0,7 В, сопротивления резисторов и – 1 кОм. Амплитуду запирающих импульсов (генератор G2) установите равной 2 В.

6.4.5 Получите осциллограмму суммы насыщающего и запирающего импульсов в отсутствие измеряемого транзистора. Используйте открытые входы обоих каналов (DC). Предварительно установите внешнюю синхронизацию осциллографа. Для этого соедините высокочастотным кабелем выход синхронизации генератора (расположен правее и выше тумблера «СЕТЬ») со входом «EXT TRIG» осциллографа. Установите переключатель вида синхронизации «SOURSE» в положение «EXT», переключатель «COOPLING» в положение «NORM» и, вращая ручку «TRIG LEVEL», добиться устойчивого изображения. При этом переключатель коэффициента отклонения «VOLT/DIV» второго канала (CH2) должен находиться в положении, при котором осциллограмма суммы насыщающего и запирающего импульсов занимает весь экран. Осциллограмму насыщающего импульса (CH1) можно временно вывести за пределы экрана, используя ручку «VERTIKAL POSITION». Переключатель коэффициента развертки «TIME/DIV» рекомендуется установить в положение «1μS».

6.4.6 Убедитесь, что в момент времени (рис. 6.2) между насыщающим и запирающим импульсом нет каких-либо изломов, ступенек и т. п. (один импульс плавно переходит в другой, имеющий противоположную полярность). При их наличии произведите регулировку временного сдвига второго канала.

6.4.7 Отключите вход второго канала осциллографа от контакта базы и подключите его к контакту коллектора. Вставьте транзистор в колодку контактного устройства. Включите источник постоянного напряжения коллектора HY 150SD и ручкой «VOLTAGE» установите значение напряжения равным 10 В.

6.4.8 Установить коэффициент отклонения первого канала равным 5 В/дел и переместить осциллограмму насыщающего импульса в верхнюю части экрана. Установить коэффициент отклонения второго канала равным 2 В/дел, ручку плавной регулировки коэффициента отклонения «VAR» – в крайнее правое положение (фиксируется щелчком). Убедитесь, что транзистор при включении переходит в режим насыщения. В этом случае амплитуда импульсов на коллекторе должна быть немного меньше напряжения источника (10 В или 5 делений) и практически не зависеть от амплитуды насыщающего импульса. Если это условие не соблюдается, то увеличивайте амплитуду насыщающего импульса до достижения насыщения. Далее, переведите переключатель коэффициент отклонения в положение 1 В/дел. Вращая ручку «VAR» влево, добейтесь, чтобы амплитуда импульса составила ровно 5 делений. Сместите осциллограмму по вертикали таким образом, чтобы ее нижний край совпадал с линией «0%», а верхний край – с линией «100%».

6.4.9 Измерьте время задержки. С целью повышения точности измерения переведите переключатель коэффициента развертки «TIME/DIV» в положение «0,1μS», а множитель временного сдвига первого канала генератора Г5-56 – в положение «10^-1». Определите число делений по горизонтали от момента начала насыщающего импульса (первый канал, верхняя осциллограмма) до момента, когда напряжение на коллекторе (второй канал, нижняя осциллограмма) составит 90% от амплитудного. Используйте линию «90%» в случае n-p-n транзистора и «10%» для p-n-p транзистора. Время задержки будет равно произведению числа делений на коэффициент развертки. Аналогично измеряются и остальные временные параметры.

6.4.10 Измерьте время нарастания как интервал, в течение которого напряжение на коллекторе уменьшается от 90% до 10% от амплитудного значения. Рассчитайте время включения как сумму времени задержки и времени нарастания.

6.4.11 Измерьте время рассасывания Верните множитель временного сдвига первого канала генератора Г5-56 в положение «1». Переведите переключатель коэффициента развертки «TIME/DIV» в положение «0,2μS». Вращая ручки «TRIG LEVEL» и «HORIZONTAL POSITION», добейтесь устойчивого изображения задних фронтов насыщающего импульса и импульса напряжения на коллекторе. Время рассасывания определится как интервал от момента начала спада насыщающего импульса до момента, когда значение напряжения на коллекторе составит 10% амплитудного.

6.4.12 Измерьте время спада как интервал, в течение которого напряжение на коллекторе возрастает от 10% до 90% от амплитудного значения. Рассчитайте время выключения как сумму времени рассасывания и времени спада.

6.4.13 Повторите измерения всех параметров по методикам, изложенным в пунктах 6.4.9 ÷ 6.4.12 при других значениях насыщающего тока базы, увеличивая его с интервалом 1 мА до максимально возможного значения (считать, что увеличению тока на 1 мА соответствует увеличение амплитуды насыщающего импульса на 1 В). Постройте графики зависимостей времени задержки, времени нарастания, времени рассасывания, времени спада от насыщающего тока базы.

6.4.14 Установите значение амплитуды насыщающих импульсов тока базы равным 5 мА. Выполните измерения времени рассасывания и времени спада при различных значениях запирающего тока базы . Амплитуду запирающего импульса, соответствующую току 1 мА, рассчитать по той же методике, по которой рассчитывалась амплитуда насыщающих импульсов (п. 6.4.4). В дальнейшем считать, что увеличение амплитуды на 1 В соответствует увеличению тока на 1 мА. Постройте графики зависимостей времени рассасывания и времени спада от запирающего тока базы.

 

 

Литература

 

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М.: Дрофа, 2009. – 703 с.: ил.

3 ГОСТ 20003-74. Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

4 ГОСТ 18604.26-85. Транзисторы биполярные. Методы измерения временных параметров.

 

 

Приложение А

(обязательное)