Ключевой режим работы полевых транзисторов

Ключевой режим работы полевых транзисторов широко используется в цифровых устройствах. Наиболее широко применяются транзисторы с индуцированным каналом, которые являются основным элементом МДП-транзисторных интегральных схем. На рис.32 показана схема ключа на транзисторе с индуцированным n-каналом и расположение рабочих точек на выходной характеристике.

На схеме рис.32 а показана также емкость С_Н, на которую нагружена выходная цепь транзистора, которая определяет быстродействие ключа. В эту емкость кроме емкости нагрузки входит также емкость С_СП самого транзистора.

В точке A транзистор заперт, на затвор подано напряжение <U_ПОР, остаточный ток есть обратный ток стокового p-n-перехода при обратном смещении близком к E_C ток I_ост составляет не более 10^-8 – 10^-10 А, поэтому падением напряжения I_CR_C можно пренебречь и считать напряжение в этой точке равным E_C

Для отпирания ключа на затвор подается напряжение >U_ПОР. Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы остаточное напряжение было как можно меньше. Тогда рабочий ток открытого ключа (ток насыщения) определяется, как и у биполярного транзистора, внешними элементами схемы:

I_СН=(E_С – U_ост)/R_С ≈ E_С/R_С (74)

Рабочая точка B лежит на начальном, квазилинейном участке характеристики МДП-транзистора. Поэтому U_ост можно найти умножая ток насыщения (73) на сопротивление канала (63):

(75)

Переходные процессы.

Инерционность МДП-транзисторных ключей обусловлена главным образом перезарядом емкостей, входящих в состав комплексной нагрузки. Инерционность канала, характеризуемую постоянной времени t_S (70), при необходимости можно учесть складывая t_S с постоянной времени перезаряда емкостей.

Переходные процессы в МДП-транзисторном ключе показаны на рис.33.

Пусть в исходном состоянии транзистор открыт и на нем падает небольшое остаточное напряжение. При поступлении запирающего напряжения ток в транзисторе уменьшается до нуля с весьма малой постоянной времени t_S – практически мгновенно. После запирания транзистора емкость С_Н заряжается от источника питания E_C через резистор R_C с постоянной времени τ_С = R_C С_Н. Процесс заряда описывается простейшей экспоненциальной функцией:

Длительность фронта напряжения на уровне 0,9 E_C составляет

t_ф = 2,3 R_CC_Н (76)

Заменив сопротивление R_C отношением E_C /I_СН, можно записать (76) в более общем виде:

t_ф = 2,3 (E_C C_Н /I_СН)(76 а)

Отпирание ключа и формирование среза импульса напряжения протекает несколько сложнее. После подачи отпирающего сигнала ток I_C практически мгновенно (с постоянной времени t_S) достигает значения, определяемого формулой (64):

Этим током начинает разряжаться емкость С_Н. По мере разряда емкости напряжение на стоке U_C уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше напряжения насыщения U_НАС= - U_ПОР, транзистор работает на пологом участке характеристики и ток сохраняет значение I_C (0). Когда напряжение U_C становится меньше U_НАС, ток I_C начинает падать, стремясь в пределе к значению I_СН. Длительность среза положительного импульса оказывается значительно меньше длительности фронта. Для расчетов принята приближенная формула

t_c= 1,5[ E_CC_Н / I_C (0)] (77)

Содержание задач контрольной работы

Задача 1.

По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора (Приложение1, рис.П.1, П.2, П3) и табличным высокочастотным параметрам (Приложение 2, табл.1) выполнить следующие расчеты в заданной рабочей точке:

а) рассчитать низкочастотные малосигнальные h-параметры и построить эквивалентную схему прибора на низкой частоте;

б) рассчитать параметры физической эквивалентной схемы прибора на высокой частоте и построить ее для этой же рабочей точки.

Задача 2.

По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора (Приложение1, рис.П.4, П.5) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для усилительного каскада:

а) построить линию нагрузки;

б) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала;

в) рассчитать для линейного (мало искажающего) режима входное сопротивление, а также коэффициенты усиления по току K_i, напряжению K_u и мощности K_p. Найти полезную мощность в нагрузке и мощность P_K, рассеиваемую в коллекторе.

Задача 3.

По заданным статическим характеристикам полевого транзистора (Приложение 1, рис.П.6, П.7) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для усилительного каскада:

а) построить линию нагрузки;

б) построить на характеристиках временные диаграммы токов и напряжений и выявить наличие или отсутствие искажений формы сигнала;

в) рассчитать для линейного (мало искажающего) режима коэффициент усиления по напряжению K_u.. Найти полезную мощность в нагрузке и мощность P_С, рассеиваемую в транзисторе.

Задача 4.

По заданным статическим характеристикам полевого транзистора (Приложение1, рис.П.6, П.7) и табличным высокочастотным параметрам (Приложение 2, табл.2) выполнить следующие расчеты в заданной рабочей точке:

а) рассчитать низкочастотные дифференциальные параметры,

б) рассчитать параметры физической эквивалентной схемы прибора на высокой частоте и построить ее для этой же рабочей точки,

в) найти граничную частоту крутизны и рассчитать активную и реактивную части входной проводимости на граничной частоте.

Задача 5.

По заданным статическим характеристикам биполярного транзистора (Приложение 1, рис.П.1, П.2, П3) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для электронного ключа:

а) построить линию нагрузки;

б) рассчитать остаточное напряжение открытого ключа, считая инверсный коэффициент передачи тока базы Β_i=1, степень насыщения S =2÷5, сравнить со значением, найденным по характеристике, определить омическое сопротивление коллектора;

в) определить мощность, потребляемую входной цепью, мощность P_K, рассеиваемую в коллекторе, и сопротивление открытого ключа.

Задача 6.

По заданным статическим характеристикам полевого транзистора (Приложение 3, рис.П.7, П.8) выполнить следующие графо-аналитические расчеты для электронного ключа:

а) построить линию нагрузки;

б) рассчитать остаточное напряжение открытого ключа, сравнить со значением, найденным по характеристике,

в) определить мощность, потребляемую замкнутым ключом P₀, и мощность P_тр, рассеиваемую в открытом транзисторе;

г) определить длительность фронта и среза выходного импульса при емкости нагрузки С_Н =5 пФ.

Выбор варианта задания

Студенты, имеющие нечетную предпоследнюю цифру номера зачетной книжки, выполняют задачи 1,3,5. Студенты, имеющие четную цифру, – задачи 2,4,6. Исходные данные к решаемым задачам определяется из таблиц 1 и 2 Приложения 3 по двум последним цифрам номера зачетной книжки

Дата добавления: 2014-11-29