Двухвходовый компаратор с положительной обратной связью

4.       Двухвходовый компаратор с положительной обратной связью

Рис.10. Схема двухвходового компаратора с положительной обратной связью

Схема компаратора приведена на рис.10. В ней включен источник опорного напряжения в цепь неинвертирующего входа, а входной сигнал – в цепь инвертирующего входа. В зависимости от полярности опорного напряжения петля амплитудной характеристики сдвигается от нуля влево или вправо. На рис.11 изображена амплитудная характеристика для U_оп >0.

Рис.11. Амплитудная характеристика двухвходового компаратора с положительной обратной связью

Экспериментальная часть

1.                Снятие амплитудной характеристики операционного усилителя.

Снять амплитудную характеристику операционного усилителя для U_оп = 0. Для этого вертикальный вход осциллографа подключить к выходу усилителя, а горизонтальный вход – к инвертирующему входу.

2.                Снятие амплитудной характеристики одновходового компаратора.

Снять амплитудную характеристику одновходового компаратора для U_оп ≠ 0. Значение опорного напряжения взять из таблицы вариантов.

3.                Снятие амплитудной характеристики триггера Шмита.

Амплитудная характеристика триггера Шмитта снимается также как и амплитудная характеристика одновходового компаратора: вертикальный вход осциллографа подключается к выходу, а горизонтальный – к инвертирующему входу.

4.                Снятие амплитудной характеристики двухвходового компаратора.

Снять амплитудную характеристику двухвходового компаратора с положительной обратной связью для U_оп ≠ 0. Подключение осциллографа остается таким же как в п.3, а в цепь неинвертирующего входа подключается опорное напряжение.

5.                Исследование работы компараторов от переменного входного сигнала.

5.1. Зарисовать осциллограммы напряжений u_вх(t), U_оп(t), u_вых(t) для U_оп ≠ 0. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов.

5.2. Зарисовать осциллограммы напряжений u_вх(t), u_вых(t) триггера Шмитта. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов.

5.3. Зарисовать осциллограммы напряжений u_вх(t), U_оп(t), u_вых(t) двухвходового компаратора с положительной обратной связью.

Снять зависимость коэффициента заполнения γ^± от опорного напряжения U_оп^±.

Контрольные вопросы

1.                Что называется компаратором?

2.                Зачем в схему компаратора включается опорное напряжение?

3.                Зачем в компаратор включается положительная обратная связь?

4.                В каких случаях применяется одновходовый компаратор?

5.                Что такое амплитудная характеристика и как она выглядит для разных схем компараторов?

6.                Как повысить помехоустойчивость триггера Шмитта?

7.                Что такое коэффициент заполнения? Как изменяется коэффициент заполнения от опорного напряжения при синусоидальном входном сигнале в разных схемах компараторов?

Таблица вариантов

Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t), u_оп(t) для двухвходового компаратора; подвариант Б – временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t), u_пор(t) для триггера Шмитта; подвариант В – временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t), u_оп(t), u_пор(t) для двухвходового компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Напряжение насыщения усилителя U_н^± = 7 В.

Работа № 9

Исследование биполярного транзистора

Цель работы

Изучение характеристик и параметров биполярного транзистора.

Теоретическая часть

В биполярном транзисторе два типа носителей заряда (электроны и дырки) участвуют в процессе протекания тока. Кроме того, транзистор содержит две цепи: входную и выходную. Входная цепь транзистора состоит из перехода эмиттер-база, который включается в прямом направлении, а выходная цепь состоит из перехода коллектор-база, который включается в обратном направлении.

По типу основных носителей, которые перемещаются в структуре, различают транзисторы типа n-p-n и p-n-p. В транзисторе типа n-p-n основные носители – электроны, а в транзисторе типа p-n-p – дырки. По способу перемещения основных носителей через базу различают диффузионные и дрейфовые транзисторы.

Дрейфовые транзисторы имеют более тонкую базу, в которой характер перемещения основных носителей – дрейфовый. В диффузионных транзисторах время перемещения основных носителей через базу больше чем в дрейфовых. Статические характеристики и параметры диффузионных и дрейфовых транзисторов одинаковые, а динамические параметры разные. Дрейфовые транзисторы относятся к высокочастотным полупроводниковым приборам и используются в интегральных схемах или в виде отдельных полупроводниковых приборов. Схема включения транзисторов в статическом режиме с общей базой приведена на рис.1. Стрелками на структуре показано перемещение электронов.

Рис.1. Схема включения с общей базой в статическом режиме

Под действием прямого напряжения U_э происходит диффузия электронов из эмиттера в базу. Потенциальный барьер перехода П₁ не препятствует диффузии, т.к. его ослабляет внешнее напряжение. В базе происходит диффузионное перемещение электронов от перехода П₁ к переходу П₂, если рассматривается транзистор диффузионного типа. В процессе диффузионного перемещения происходит рекомбинация электронов и дырок. Если заполненные электронные связи получаются устойчивыми, то к переходу П₂ подходят не все электроны, которые были инжектированы в базу из эмиттера.

В результате актов рекомбинации база теряет электрическую нейтральность и приобретает избыточный отрицательный заряд. Между слоем базы и ее выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны, в результате чего появляется ток базы.

Основная масса электронов подходит к коллекторному переходу П₂ и под действием напряжения U_к дрейфует в коллектор. Слой коллектора приобретает избыточный отрицательный заряд, поэтому между слоем коллектора и его выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны. По аналогии с цепью коллектора в цепи эмиттера протекает ток, вызванный избыточным положительным зарядом эмиттера. Таким образом, протекание токов в цепях эмиттера, базы и коллектора связано с поддержанием электрической нейтральности слоев транзистора.

Для взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов необходимо, чтобы слой базы был достаточно тонким, например, для диффузионного транзистора ширина базы составляет десятки мкм. Передача тока из эмиттерной цепи в коллекторную определяется коэффициентом α. Различают статический коэффициент передачи тока эмиттера и дифференциальный:

, . (1)

На линейных участках характеристик транзистора статический и дифференциальный коэффициент передачи одинаковы, поэтому для линейного режима работы используется одно значение α.

Из схемы включения транзистора следует основное уравнение для токов:

. (2)

В цепи коллектора необходимо учесть ток неосновных носителей, который протекает под действием источника E_к. Этот ток определяется при оборванном эмиттере и обозначается I_к0 (рис.2). С учетом обратного тока коллектора I_к0 значение выходного тока в схеме с общей базой определяется выражением:

. (3)

Рис.2. Схема включения с общей базой при I_э = 0

Влияние выходного напряжения на ток коллектора зависит от дифференциального сопротивления коллекторного перехода r_к и определяется соотношением U_к/r_к. Уравнение выходного тока для линейного участка вольтамперной характеристики имеет вид:

. (4)

Схема включения с общим эмиттером приведена на рис.3. В этой схеме на вход и на выход подаются регулируемые напряжения U_брег и U_крег. Эмиттер является общим электродом для входа и выхода. Принцип действия биполярного транзистора не изменяется при изменении схемы включения, так как эмиттерный переход П₁ включается в прямом направлении, а коллекторный П₂ – в обратном. В отличие от схемы с общей базой напряжение U_крег подключается к двум p-n-переходам П₁ и П₂. Из-за этого в области базы появляется избыточный отрицательный заряд, если разомкнута цепь эмиттера. Отрицательный заряд скапливается у границы перехода П₂ и вызывает полевой пробой этого перехода, поэтому в схемах включения с общим эмиттером и общим коллектором нельзя включать транзистор с оборванной базой. Данное условие необходимо соблюдать для биполярных транзисторов разной мощности, особенно для средней и большой. В паспортных данных биполярных транзисторов указывается минимальный ток базы или внешнее сопротивление в цепи базы, при которых не происходит пробоя коллекторного перехода.

Рис.3. Схема включения с общим эмиттером

Выражение выходного тока для схемы с общим эмиттером получается на основе уравнения выходного тока схемы с общей базой. В выражение (4) подставляется выражение (2):

. (5)

После преобразования выражения (5) получается коллекторный ток, зависящий от параметра α:

. (6)

В выражении (6) каждое слагаемое можно рассмотреть отдельно:

; ; , (7)

где В – коэффициент передачи тока базы, причем, различают статический коэффициент передачи и дифференциальный; на линейных участках характеристик статический и дифференциальный коэффициенты одинаковы;

I_к0’ – обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером;

r_d – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы с общим эмиттером.

; при U_к = const. (8)

; при I_б = const. (9)

Для оценки параметров транзистора зададим коэффициент передачи тока эмиттера α=0,98 и подсчитаем параметры В, r_d, I_к0’:

; ; . (10)

Из соотношения (10) следует, что в схеме с общим эмиттером происходит усиление тока базы, поэтому коэффициент передачи В называется коэффициентом усиления тока базы. Выходное сопротивление транзистора r_d уменьшается, а ток I_к0’ возрастает по сравнению со схемой включения с общей базой.

Уравнение выходного тока с учетом соотношений (7) запишется в виде:

. (11)

Для графоаналитического расчета усилительных каскадов используются статические характеристики транзистора: входные I_б = F(U_б) при U_к = const; выходные I_к = F(U_к) при I_б = const; передачи по току I_к = F(I_б) при U_к = const.

Входные характеристики имеют вид, аналогичный прямой вольтамперной характеристике диода (рис.4). С ростом коллекторного напряжения характеристики сдвигаются вправо, так как происходит расширение коллекторного перехода в сторону базы и вследствие этого уменьшение ширины базы, а значит – базового тока. Влияние коллекторного напряжения на ток базы незначительное, так как базовый ток в основном определяется прямым напряжением, поступающим на базу.

Рис.4. Входные характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора имеют вид, аналогичный вольтамперным характеристикам диода в обратном включении (рис.5а). Принято изображать выходные характеристики в первом квадранте (рис.5б). Первая характеристика представляет собой обратный ток коллектора, который протекает при нулевом полезном сигнале в цепи базы (рис.6). По выходным характеристикам определяются выходное сопротивление транзистора r_d в схеме с общим эмиттером и коэффициент усиления тока базы В.

а)  б)

Рис.5. Выходные характеристики транзистора

Рис.6. Контур протекания обратного тока I_к0’

При включении нагрузки в цепь коллектора (рис.7) транзистор работает в квазистатическом (нагрузочном) режиме. Значение тока коллектора определяется из уравнения 2-го закона Кирхгофа, составленного для выходной цепи:

, (12)

. (13)

Рис.7. Схема с общим эмиттером в нагрузочном режиме

Из выражения (13) определяются точки холостого хода и короткого замыкания выходной цепи:

i_к = 0, u_к = Е_к; u_к = 0, . (14)

По точкам холостого хода и короткого замыкания строится нагрузочная прямая на выходных характеристиках транзистора (рис.8). Прямая пересекает три области работы: область отсечки, активную область усиления и область насыщения.

Рис.8. Области работы транзистора в нагрузочном режиме

Область отсечки находится ниже характеристики обратного тока коллектора I_к0’. На рис.8 рабочей точкой отсечки является точка 1. На коллекторе действует напряжение отсечки U_котс. Мощность, рассеиваемая на транзисторе в режиме отсечки, равна: .

Активная область усиления расположена между рабочими точками 1 и 4, где выходной ток изменяется пропорционально входному току: I_к = В*I_б. Область называется активной, т.к. на ней происходит усиление сигнала за счет внутренних свойств транзистора и взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов. В этой области на транзисторе рассеивается наибольшая мощность, определяемая рабочей точкой: P_акт = I_к*U_к.

Область насыщения находится между осью тока и выходными характеристиками, которые сливаются в одну линию при малых напряжения коллектора. Рабочей точкой насыщения является точка 4, в которой ток коллектора достигает значения насыщения. При увеличении тока базы I_б ≥ I_б3 ток коллектора не изменяется, а напряжение достигает значения насыщения U_кэн. Мощность, рассеиваемая на транзисторе равна: P_н = I_кн*U_кэн. Причем, в режиме насыщения рассеиваемая мощность больше, чем в режиме отсечки.

Экспериментальная часть

1. Снятие входной характеристики.

Снять входную характеристику транзистора I_б = F(U_б) при постоянном значении Е₂. Построить входную характеристику и определить по ней входное сопротивление: . Входная характеристика показана на рис.10.

Похожие работы

Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

Скачать

153271

6

6

... от структуры силикатных стёкол, и способно выдерживать умеренные концентрации катионов (например, натрий до 0,1%), не увеличивая электропроводимость. Боратное стекло отвечает требованиям герметизации полупроводниковых приборов: свободно от щелочных металлов, уплотняется (спаивается) при температуре до 800С, относительно инертно и водонепроницаемо, имеет регулируемые коэффициенты температурного ...

Применение полупроводниковых приборов

Скачать

21910

0

1

... интегральным микросхемам. Они позволяют выполнять логическую обработку большого числа сигналов, воспроизводить сложные функции усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Тиристор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор, содержащий три или более р-п-перехода. По числу внешних электродов тиристоры делятся на: двухэлектродные – динисторы и трехэлектродные – тринисторы. ...

Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника

Скачать

50268

3

3

... ). Перспективы развития микроэлектроники Функциональная микроэлектроника. Оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнетоэлектроника, биоэлектроника и др. Содержание лекций 1 Цели и задачи курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”. Физика полупроводников. p-n- переходы. Полупроводниковые диоды. Разновидности и характеристики. 2 Транзисторы. Принцип действия, разновидности и ...

Расчет и проектирование диода на основе кремния

Скачать

43308

1

12

... измениться в е раз из-за рекомбинации. Для диода с тонкой базой при низкой частоте постоянная времени равна (1.6) 2. РАСЧЕТ и исследование мощных низкочастотных диодов на основе кремния   2.1 Расчет параметров диода Проведем расчет и исследования статических и динамических характеристик 4H-SiC p+-п0-n+ диодов, рассчитанных на обратное напряжение 6, 10 и 20 кВ и ...