71497

Физика компьютеров: Лабораторный практикум

Книга

Физика

Цифровая обработка сигналов дает широкие преимущества в смысле гибкости решений, технологичности конструкций, экономии энергопотребления. В схемотехническом плане в основе цифровой техники, а также значительного количества так называемых импульсных устройств лежат электронные ключи.

Русский

2014-11-07

236.84 KB

3 чел.

БЕЛОРУССКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ  ПРИКЛАДНОЙ  МАТЕМАТИКИ  И  ИНФОРМАТИКИ

Кафедра технологий программирования

В.В. Горячкин  

Л.А. Золоторевич

Физика компьютеров

Лабораторный практикум

Учебно-методическое пособие

для студентов математических специальностей

Лабораторная работа № 2

Цифровые ключи

Минск

2013

СОДЕРЖАНИЕ

1 Цифровые ключи 3

1.1 Диодные электронные ключи 3

1.2 Транзисторный ключ на биполярном транзисторе 4

1.2.1 Задание 1 6

1.2.2  Варианты заданий 7

1.3 Электронные ключи на полевых транзисторах 11

1.3.1  Задание 2 13

2   Расчет вариантов индивидуального задания 14


1 Цифровые ключи

Цифровая обработка сигналов дает широкие преимущества в смысле гибкости решений, технологичности конструкций, экономии энергопотребления. В схемотехническом плане в основе цифровой техники, а также значительного количества так называемых импульсных устройств лежат электронные ключи.

Технические реализации цифровых схем, в которых сигналы представлены дискретно квантованными уровнями напряжения (тока), основаны на использовании электронных коммутаторов напряжения (тока), называемых электронными ключами. В качестве нелинейных приборов с управляемым сопротивлением в электронных ключах используются полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, фототранзисторы, тиристоры, оптроны, электронные лампы.

Аналогично механическим ключам (рубильникам), естественно характеризовать электронный ключ сопротивлением в открытом и закрытом состоянии, предельными значениями коммутируемого тока и напряжения, временными параметрами, описывающими скорость переключения из одного состояния в другое. Следует отметить, что электронные ключи, в отличие от механических, чаще всего не являются двунаправленными, т.е. коммутируют ток и напряжение одного знака.

Следует различать аналоговые электронные ключи, предназначенные для передачи аналогового сигнала с минимальными искажениями, и цифровые ключи, обеспечивающие формирование бинарных сигналов. Аналоговые ключи лежат в основе всевозможных коммутаторов сигналов, нашедших широкое применение в технике аналого-цифрового преобразования. Несмотря на сходство в функциональном плане между цифровыми и аналоговыми ключами, требования к последним существенно отличаются от требований к цифровым ключам, что приводит совершенно к другим соображениям, по которым следует разрабатывать аналоговые ключи.

1.1 Диодные электронные ключи

В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения. Электронные ключи на основе диодов являются пассивными структурами, что приводит к ослаблению сигнала при прохождении таких ключей, что особенно заметно при построении многоступенчатых структур.

Рисунок 1 – Примеры реализации вентилей на диодах

Инерционность диодных ключей обусловлена накоплением неосновных носителей в области p-n перехода, емкостью p-n перехода, емкостью и индуктивностью выводов. Кроме перечисленных параметров, имеют значение также индуктивность и емкость нагрузки, а также монтажные емкости. В справочниках на дискретные диоды чаще всего указывается время обратного восстановления (восстановления обратного сопротивления), обусловленное диффузионным движением неосновных носителей. Для уменьшения этого времени могут использоваться создание ловушек, способствующих рекомбинации неосновных носителей или создание неоднородной концентрации примесей (диоды с накоплением заряда).

Диодные ключи чаще всего используются в качестве вспомогательных узлов в цифровой технике.

1.2 Транзисторный ключ на биполярном транзисторе

Транзисторный ключ коммутирует (включает и выключает) участки электрической цепи. Его действие основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном – очень большим сопротивлением.

В отличие от усилительных схем биполярный транзистор ключа работает в импульсном режиме, т.е. рабочая точка на выходе обычно находится в области отсечки (сопротивление транзистора велико) или насыщения (сопротивление транзистора мало) и пересекает активную область только в момент переключения.

Ключ устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему. Более распространен второй вариант, обобщенная схема которого представлена на рисунке 2.

Когда под действием управляющего напряжения uупр (смотри рисунки 2-3) транзистор  заперт (выключен), нагрузка Rн через балластный резистор Rб подключена к источнику питания Е. Если управляющее напряжение обеспечивает насыщение (включение) транзистора, нагрузка оказывается зашунтированной его незначительным сопротивлением и напряжение на ней uвых близко к нулю.

Рисунок  2 – Обобщенная схема ключа

Рисунок 3 – Схема ключа на n-p-n транзисторе

Основными параметрами транзисторного ключа являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение на ключе и быстродействие, определяемое временем переключения.

На рисунке 3 показан  ключ на базе биполярного n-p-n транзистора по схеме с общим эмиттером.  В стационарном состоянии ключ может находиться в одном из двух режимов: насыщения (включенном) или отсечки (выключенном).

Так как транзистор является инерционным прибором, то переход ключа из одного стационарного состояния в другое происходит не мгновенно даже при подаче на его вход идеального прямоугольного импульса напряжения.

Переход ключа из выключенного состояния во включенное характеризуется временем включения (передним фронтом tф1, смотри рисунок 4), зависящим от времени распространения носителей тока от эмиттера через базу к коллектору. Ток коллектора при этом возрастает с постоянной * = (1/)* (рисунок 4) и стремится к значению *Iб + Iкэ0, но ограничивается величиной   IКэн  Ек/Rк.

При подаче на входе отрицательного перепада Iк начинает уменьшаться только через некоторое время tр, требуемое для рассасывания избыточной концентрации неосновных носителей в базе (выхода транзистора из режима насыщения). Данное время пропорционально степени насыщения транзистора

После этого транзистор переходит в активный режим, ток коллектора начинает уменьшаться, стремясь к нулю, что характеризуется длительностью заднего фронта tф2.

Рисунок 4 – Переходные процессы в транзисторе

1.2.1 Задание 1

  1. В соответствии с вариантом задания синтезировать схему ключа на биполярном транзисторе. На рисунке 5 приведен один из примеров реализации такой схемы на n-p-n транзисторе.

Рисунок  5   

  1. Подобрать значение базового тока  подбором сопротивления Rб, так чтобы обеспечивался выход транзистора на границу режима насыщения при Uвх= Ек, и установить его.
  2. Подключить  на вход ключа генератор прямоугольных импульсов (как на рисунке 5), амплитудное значение, которое  равно Ек. Активизировать схему в режиме переходных процессов и подобрать длительность импульсов генератора, обеспечивающую окончание переднего фронта выходного импульса к концу входного импульса .
  3.  
  4. Зафиксировать совместные осциллограммы входного и выходного напряжений,  то есть Uвх и Uкэ.
  5. Исследовать переходные характеристики ключевой схемы. Для этого найти по осциллограммам значения tф1, tр и tф2 и занесите в таблицу 1   (для снятия выше перечисленных значений рекомендую использовать осциллограф в расширенном режиме и очень сильно уменьшить значение временной развертки). Сделайте вывод, сравнивая входные и выходные  осциллограммы. На осциллограммам  отметить ручкой, где располагаются  значения tф1, tр и tф2 .

                                Таблица 1

Iб=Iбн

Iб=2*Iбн

Iкэ0

tф1

tр

tф2

tф1

tр

tф2

1.2.2  Варианты заданий 

Таблица 2

n/n

вариант

Марка триода

Марка аналога

IБ1

IБ2

IБ3

Предельные значения допустимых режимов работы транзистора

IБмах

IКмах

UЭБмах

UКБмах

UКЭмах

1
p-n-p

2N3905

KT361Г

0.1 мА

0.4 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-35 в

-35 в

2
p-n-p

2N4125

KT361Г

0.05 мА

0.55 мА

0.9 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-35 в

-35 в

3
p-n-p

2N5226

KT350A

0.2 мА

  1.  мА

2.4 мА

3 мА

600 мА

-5 в

-20 в

-20 в

4
p-n-p

2N5354

KT351A

0.2 мА

1.0 мА

2.2 мА

4 мА

400 мА

-4 в

-20 в

-20 в

5
p-n-p

2N5447

KT345Б

0.02 мА

0.10 мА

0.16 мА

5 мА

200 мА

-4 в

-20 в

-20 в

6
p-n-p

BC557

KT361Д

0.1 мА

0.4 мА

0.8 мА

2 мА

50 мА

5

-40 в

-40 в

7
p-n-p

BC240

KT816В

5.0 мА

25 мА

40 мА

100 мА

3 А

5

-25 в

- 25

8
p-n-p

MPS6562

KT350A

0.2 мА

  1.  мА

2.4 мА

3 мА

600 мА

-5 в

-20 в

-20 в

9
n-p-n

2N3904

KT375A

  1.  мА

0.4 мА

0.8 мА

1 мА

100 мА

60 в

60 в

10
n-p-n

BD239

KT817B

5.0 мА

20.0 мА

55.0 мА

100 мА

3 А

5 в

60 в

60 в

11
n-p-n

BD239A

KT817B

5.0 мА

15.0 мА

40.0 мА

100 мА

3 А

5 в

60 в

60 в

12
n-p-n

BDY90

KT945

0.10 А

  1.  А
  2.  А

7 А

25 А

5 в

150 в

150 в

13
n-p-n

BDY91

KT945

  1.   А

1.50 А

2.50 А

7 А

25 А

5 в

150 в

150 в

14
n-p-n

BDY92

KT908A

100 мА

400 мА

800 мА

3 А

10 А

5 в

100 в

100 в

15
p-n-p

BD240A

KT816B

5 мА

25 мА

45 мА

150 мА

3 А

-5 в

- 25 в

- 25 и

16

p-n-p

BC557

KT361D

0.1 мА

0.4 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-35 в

-35 в

17

p-n-p

TIP30C

KT814B

5.0 мА

20.0 мА

35.0 мА

50 мА

3 А

5 в

-70 в

-70 в

18

p-n-p

2N5354

KT351Б

0.05 мА

0.2 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-35 в

-35 в

19

p-n-p

2N3905

KT361Г

0.05 мА

0.2 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-35 в

-35 в

20

p-n-p

2N5366

KT351Б

0.05 мА

0.2 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-35 в

-35 в

21

p-n-p

2N4125

KT361Б

0.05 мА

0.2 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-20 в

-20 в

22

p-n-p

BCY79

KT3107Б

  1.  мА

0.5 мА

0.9 мА

5 мА

100 мА

5 в

-45 в

-45 в

23

p-n-p

MPS3638A

KT351A

0.2 мА

1.0 мА

2.2 мА

4 мА

400 мА

-4 в

-20 в

-20 в

24

n-p-n

2N2721

KT315Ж

  1.  мА

0.35 мА

0.65 мА

2 мА

100 мА

6 в

15 в

15 в

25

n-p-n

2N3903

KT375A

  1.  мА

0.2 мА

0.8 мА

1 мА

100 мА

60 в

60 в

26

n-p-n

2N5223

KT375A

  1.  мА

0.5 мА

0.8 мА

1 мА

100 мА

60 в

60 в

27

n-p-n

2N2218

KT928Б

  1.  мА

15 мА

40 мА

50 мА

800 мА

5 в

60 в

60 в

28

n-p-n

2N2222

KT3117A

2.5 мА

15 мА

25 мА

50 мА

400 мА

4 в

60 в

60 в

29

n-p-n

BC107A

KT342A

  1.  мА

0.2  мА

0.4  мА

2 мА

50 мА

30 в

30 в

30

n-p-n

BC108B

KT342A

  1.  мА

0.2  мА

0.3  мА

2 мА

50 мА

30 в

30 в

31

n-p-n

BC109C

KT342B

  1.  мА

0.04 мА

0.08 мА

2 мА

50 мА

10 в

10 в

32

n-p-n

BF258

KT604Б

0.25 мА

1.25 мА

2.5 мА

3 мА

200 мА

5 в

300 в

250 в

33

n-p-n

MM3001

KT602Б

200 мкА

900 мкА

1300 мкА

5 мА

75 мА

60 в

100 в

34

n-p-n

BC182A

KT3102A

25 мкА

100 мкА

200 мкА

100 мА

5 в

50 в

50 в

35

n-p-n

TIP31

KT817A

5.0 мА

20.0 мА

40.0 мА

100 мА

3 А

5 в

60 в

60 в

36

n-p-n

TIP41

KT819A

20 мА

500 мА

1000 мА

500 мА

15 А

5 в

60 в

60 в

n-p-n

BC184

KT3102E

1 мкА

3 мкА

5 мкА

100 мА

5 в

50 в

50 в

38

n-p-n

BC237A

KT3102A

25 мкА

100 мкА

200 мкА

100 мА

5 в

50 в

50 в

39

n-p-n

BC548C

KT3102Г

1 мкА

2 мкА

5 мкА

100 мА

5 в

20 в

20 в

40

n-p-n

BC639

KT645A

1.1 мА

1.4 мА

5.8 мА

15 мА

300 мА

4 в

60 в

50 в

41

n-p-n

MPS6530

KT645A

1.5 мА

2.4 мА

5.8 мА

15 мА

300 мА

4 в

60 в

50 в

42

n-p-n

BC337

KT3102Б

20 мкА

60 мкА

100 мкА

100 мА

5 в

50 в

50 в

43

n-p-n

MPS6532

KT645A

1.1 мА

1.4 мА

5.8 мА

15 мА

300 мА

4 в

60 в

50 в

44

n-p-n

2N2712

KT315Ж

  1.  мА

0.35 мА

0.65 мА

2 мА

100 мА

6 в

15 в

15 в

45

p-n-p

BC557

KT361Д

0.1 мА

0.4 мА

0.8 мА

3 мА

100 мА

+5 в

-40 в

-40 в

46

(Если Вы не нашли нужный транзистор для исследования, то обращайтесь к преподавателю или выберите транзистор из соседнего варианта. За возможные опечатки приносим свои извинения).

1.3 Электронные ключи на полевых транзисторах 

В настоящее время происходит активное вытеснение биполярных транзисторов из области ключевых устройств. В значительной мере альтернативой служат полевые транзисторы. Полевые транзисторы не потребляют статической мощности по цепи управления, в них отсутствуют неосновные носители, а, значит, не требуется время на их рассасывание, наконец, рост температуры приводит к уменьшению тока стока, что обеспечивает повышенную термоустойчивость.

В последнее время все более широко используются ключи на полевых транзисторах. Первое поколение таких ключей представляли последовательное соединение транзистора и резистора, подобно ключу на биполярном транзисторе (сравни схемы на рисунках 3 и 6).

Рисунок 6 – Транзисторный ключ на МДП транзисторе и его стоковые характеристики

Из всего многообразия полевых транзисторов для построения электронных ключей наибольшее распространение получили МДП (металл-диалектрик-полупроводник) - транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы этого типа характеризуются пороговым напряжением, при котором возникает проводимость канала. В области малых напряжений между стоком и истоком (открытый транзистор) можно представить эквивалентным сопротивлением (в отличие от насыщенного биполярного транзистора - источника напряжения). Справочные данные на ключевые транзисторы этого типа включают параметр Rси-отк - сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Для низковольтных транзисторов величина этого сопротивления составляет десятые - сотые доли Ом, что обуславливает малую мощность, рассеиваемую на транзисторе в статическом режиме. К сожалению, Rси-отк заметно увеличивается при увеличении максимально допустимого напряжения сток-исток

Ключи второго поколения состоят из двух последовательно соединенных транзисторов с каналами одного типа проводимости (один из транзисторов выполняет роль нагрузочного резистора).

На рисунке 7 представлена схема ключа последнего поколения – на комплементар-ных (каналы разных типов проводимости) МДП-транзисторах (КМДП – транзисторах)

Рисунок 7- Ключ на КМДП транзисторах

Рисунок 8 - Стоко-затворная характеристика  транзисторов VT1 и VT2

Так как транзисторы соединены стоками, то Ic1 = Ic2 = Ic. А соединение затворов обеспечивает Ес = Uзи1 + Uзи2.

Совмещенная стоко-затворная характеристика обоих транзисторов отображена на рисунке 8. Параметры схемы подобраны таким образом, чтобы при подаче высокого значения Uупр = Uзи1 транзистор VT1 был открыт (UB>Uзп1), а транзистор VT2 закрыт (для него Uзи2>Uзп2). При переходе в нижнее значение управляющего напряжения закрывается транзистор VT1, но открывается VT2, что приводит к смене уровня выходного напряжения. Так как в последовательной цепи постоянно закрыт один из транзисторов, то все время Ic  0, что приводит к практически нулевой мощности, потребляемой ключом.

Стационарные состояния ключа достаточно полно описываются его статической характеристикой передачи, которая подобна аналогичной характеристике ключа на биполярном транзисторе.


1.3.1  Задание 2

  1. Из таблицы 3 выбрать в соответствии с вариантом МДП-транзистор. В качестве второго транзистора можно взять идеальный соответствующего типа проводимости.

Таблица 3 – Варианты для второго задания

п/п

Uс, В

МДП-транзистор

п/п

Uс, В

МДП-транзистор

1

8

IRF133

11

9

IRF713

2

9

IRF143

12

8

M2SK1112

3

7

IRF153

13

7

M2SK1120

4

10

IRF234

14

8

M2SK1913

5

8

IRF253

15

7

M2SK945

6

7

IRF323

16

9

IRF620

7

8

IRF340

17

10

IRF741

8

9

IRF360

18

7

IRF842

9

10

IRF733

19

8

IRF843

10

10

IRF822

20

9

IRFD120

  1. Собрать схему ключа на комплементарных МДП-транзисторах по аналогии как на рисунке 7 (будем приветствовать, если Вы самостоятельно дополнительно спроектируете  классическую схему ключа – схему первого поколения). Протестировать схему в потенциальном режиме. Приведите временные диаграммы. Экспериментально докажите, что потребляемая мощность ключа практически равна нулю.
  2. После проверки схемы, установить на вход ключа генератор прямоугольных импульсов, амплитудное значение которых равно Ес. Получить входные и выходные осциллограммы и с комментариями представить в отчете.


  1.  Расчет вариантов индивидуального задания

n/n

Вариант лаб. раб

Вариант задания №1

Вариант задания №2

n/n

Вариант лаб. раб

Вариант задания №1

Вариант задания №2

1

1

1

1

31

31

11

2

2

2

2

3

32

32

12

4

3

3

3

6

33

33

13

5

4

4

4

7

34

34

14

8

5

5

5

11

35

35

15

9

6

6

6

12

36

36

16

10

7

7

7

18

37

37

17

14

8

8

8

19

38

38

18

15

9

9

9

17

39

39

19

16

10

10

10

13

40

40

20

20

11

11

30

15

41

41

44

19

12

12

29

14

42

42

32

18

13

13

28

16

43

43

41

17

14

14

27

11

44

44

35

7

15

15

26

10

45

45

28

4

16

16

25

9

46

46

39

5

17

17

24

8

47

47

5

6

18

18

23

3

48

48

2

1

19

19

22

2

49

49

43

20

20

20

21

15

50

50

27

9

21

21

20

11

51

51

36

13

22

22

40

7

52

52

30

5

23

23

41

19

53

53

21

1

24

24

42

4

54

54

42

17

25

25

43

14

55

55

29

3

26

26

44

15

56

56

38

6

27

27

45

12

57

57

34

10

28

28

19

3

58

58

40

2

29

29

18

8

59

59

33

15

30

30

17

16

60

60

45

18


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63836. Экономика здравоохранения 28.5 KB
  Повышение уровня общественного здоровья качества и эффективности медицинской помощи основные задачи здравоохранения. Выполнить их можно только с помощью финансирования деятельности медицинской службы из различных источников.
63838. Злокачественные новообразования как социально-гигиеническая проблема 24 KB
  Показатели смертности в возрастных группах мужчин и женщин существенно различаются. Так для группы 25 34 года смертность несколько выше у мужчин 35 лет у женщин а в возрасте 55 64 лет значительно больше умирает мужчин. В целом смертность мужчин превышает смертность женщин.
63839. Травматизм и его медико-социальное значение 30 KB
  Травмы и отравления 8500 на 100 000 населения 91г. Травмы занимают 1 место в городах по посещению поликлиник. Травмы относятся к 17 классу ОМКБ. Фрейллина: травмы производственного характера: промышленные с х травмы непроизводственного характера...
63840. Туберкулез как медико-социальная проблема 35 KB
  Сегодня ТБЦ является медико социальной проблемой т. Уровни заболеваемости Единица учета уровня заболеваемости ТБЦ первичный ТБЦ комплекс в других странах выделение микобактерий ТБЦ. Общая заболеваемость ТБЦ 1520 млн.
63841. Заболевания органов дыхания как медико-социальная проблема 26 KB
  БОД заболевания 8 класса МКБ. Группы БОД: ОРЗ Другие болезни ВДП Пневмонии и грипп Хр. болезни легких вызываемые внешними агентами Другие болезни органов дыхания Роль БОД по материалам текущей обращаемости: в структуре заболеваемости населения являются ведущими.
63842. Психическое здоровье 33.5 KB
  Классификация нервно психических заболеваний 5 класс межд. В экономически развитых странах нервно психические заболевания очень важная проблема: 25 28 на 1000 человек. Нервно психическая патология. Изменяется структура нервно психической патологии в развивающихся и развитых странах.
63843. Медико-социальное значение алкоголизма 29 KB
  Алкоголизм рассматривается как медико-социальная проблема влияющая на показатели состояния здоровья заболеваемости и смертности. Уровень смертности среди систематически пьющих в 3 раза выше чем среди непьющих. В структуре смертности первое место занимают травмы...
63844. Научное просвещение как фактор активизации политической жизни общества 39.5 KB
  Для современной России характерна такая ситуация в которой население все меньше и меньше направляет свою энергию в общественно-политическую сферу жизни общества. Политическое просвещение как культурный социальный и политический феномен имеет объективные исторически обусловленные основания...