Лабораторная работа: Знакомство с программой Micro-cap. Изучение характеристик и логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

( 6 )

Если , транзистор Т1 находится в статическом состоянии инверсного усиления, т.к. его эмиттерный переход смещен в обратном направлении (потенциал эмиттера Т1 выше потенциала базы, т.к. , а ), а его коллекторный переход – в прямом (>). В режиме инверсного усиления “нормальный” коллектор Т1 фактически является эмиттером, “нормальный” эмиттер – коллектором, поэтому в данном случае (ток - вытекающий, а токи и - втекающие). Из-за существенной асимметрии структуры транзистора коэффициент передачи тока базы в режиме инверсного усиления мал (<<1 ), поэтому втекающий ток тоже мал (), а вытекающий ток практически равен току :

. ( 7 )

Для насыщения транзистора Т2 требуется, чтобы (s > 1 ).

Влияние нагрузки на работу ключа рис.2 рассмотрим при условии, что нагружают анализируемый ключ один или несколько ключей такого же типа, рис.5. Анализ показывает, что на режим работы ключа, когда транзистор Т2 закрыт, нагрузка практически не влияет, т.к. все входные транзисторы внешних ключей нагрузки имеют на эмиттерах высокий потенциал и работают в режиме инверсного усиления с весьма малыми входными токами, которые практически не нагружают анализируемый ключ.

В состоянии, когда транзистор Т2 насыщен, входные транзисторы внешних ключей также насыщены, вытекающие эмиттерные токи внешних ключей в сумме образуют дополнительную составляющую коллекторного тока транзистора Т2, обусловленную нагрузкой. Внешнюю цепь нагрузки можно заменить эквивалентным резистором нагрузки , включенным параллельно резистору. Коэффициент насыщения нагруженного ключа меньше, чем у не нагруженного (s н < s ). Если сопротивление слишком мало, открытый транзистор Т2 работает в активном режиме при соответствующем увеличении уровня выходного напряжения.

3.2 ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой входных переключающих сигналов. Быстродействие зависит от общей длительности переходного процесса, обусловленной двумя факторами: собственной инерционностью ключевого транзистора (конечной скоростью изменения заряда в базе) и влиянием паразитных параметров (конечной скоростью изменения напряжения на барьерных и паразитных емкостях).

Переходный процесс переключения транзистора из запертого состояния в насыщенное содержит три стадии: задержки отпирания эмиттерного перехода, формирования фронта включения, накопление заряда в базе.

Задержка отпирания транзистора равна времени заряда барьерных емкостей до напряжения отпирания транзистора U 0 . Практически задержка проявляется в сдвиге фронта включения относительно фронта входного отпирающего сигнала (импульса). В большинстве практических случаев задержка отпирания невелика и существенно меньше длительности фронта включения.

Формирование фронта включения начинается с появления ступеньки базового тока вследствие отпирания эмиттерного перехода. В насыщенных ключах ступенька тока достаточна для последующего насыщения транзистора: >.

Если пренебречь влиянием емкостей на переходный процесс, поведение ключа на стадии формирования фронта включения непосредственно обусловлено процессом изменения заряда неосновных носителей в базе транзистора, который описывается уравнением:

( 8 )

где - время переноса заряда через базу в нормальном режиме (время жизни неосновных носителей в базе), которое проявляется как постоянная времени переходной характеристики транзистора.

Формирование фронта включения происходит при существовании активного режима работы пока выполняется условие <. Окончание фронта включения соответствует моменту, когда заряд становится равным .

В общем случае, когда нужно учитывать влияние емкости коллекторного перехода и емкости нагрузки , при анализе вместо следует пользоваться эквивалентной постоянной времени :

( 9 )

Длительность фронта включения рассчитывается по формуле

( 10 )

Для схемы рис.1 ток рассчитывается по (1),для схемы рис.2 =и рассчитывается по (7).

Если условие насыщения не выполняется (), для определения времени включения следует использовать формулу

. ( 10а )

Накопление заряда в базе происходит уже в насыщенном транзисторе. Начиная с момента , все три внешних тока транзистора не меняются. Однако заряд в базе продолжает нарастать по экспоненциальному закону, и этот процесс заканчивается лишь через время , которое называют временем накопления. Значение может существенно отличаться от величины (< ), поскольку распределение носителей в базе при насыщении отличается от распределения при нормальном активном режиме.

Процесс переключения транзистора из насыщенного состояния в запертое содержит две стадии: рассасывание избыточного заряда и формирование фронта выключения.

Рассасывание избыточного заряда проявляется внешне как задержка начала фронта выключения относительно выключающего (отрицательного) перепада входного сигнала. На стадии рассасывания транзистор остается насыщенным, концентрация заряда в базе остается выше равновесной концентрации, и оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом напряжение U бэ = U 0 = 0,7 В . Поэтому при установлении запирающего входного напряжения U вх < U 0 возникает отрицательный входной ток , обусловленный наличием в базе избыточного заряда. Ток вытекает из базы, т.к. потенциал базы выше потенциала входа. Величина этого тока:

. ( 11 )

Отрицательный ток означает “отсос” заряда из базы, поэтому он начинает уменьшаться, и при =стадия рассасывания заканчивается.

Анализ функции изменения заряда дает формулу для определения времени рассасывания:

, ( 12 )

в которой для схемы рис.1 ток рассчитывается по (1), а ток - по(11).Формула (12) получена для случая, когда отпирающий сигнал - длинный, а ток существенно меньше тока .