Изучение ключевой схемы на транзисторе

Кафедра информационных систем

ОТЧЁТ

по лабораторной работе № 2

«Изучение ключевой схемы на транзисторе»

по дисциплине

«Физические основы ЭВМ»

Задание 1

Задание 2

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение особенностей функционирования ключевого элемента и его основных параметров в режимах «включено» и «выключено».

2. ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАНИЯ

Задание № 1 На статических вольт-амперных характеристиках МДП транзисторов (рисунок 2.6) построить нагрузочную прямую ключа, обозначив все характерные точки для режимов отсечки и насыщения, введя такие обозначения: U СИ ОТС - напряжение сток- исток отсечки, U си нас -напряжение сток-исток насыщения.

Рисунок 2.6 - Статические вольт-амперные характеристики транзистора

3. РЕШЕНИЕ

Нагрузочная прямая - виртуальный путь перемещения рабочей точки, когда ключевая схема переходит из одного состояния в другое (реально происходит изменение параметров ключа под воздействием входного сигнала). Так как ключевая система может находиться в двух состояниях и каждому из них соответствует конкретное внутреннее сопротивление ключа, то на вольт-амперных характеристиках должны существовать две рабочие точки с соответствующими параметрами.

Определим местоположение рабочих точек схемы с неидеальным ключом:

1) В координатной плоскости I= I(U) разместим вольтамперные характеристики неидеального ключа, которые не совпадают с координатными осями

2) На координатных осях фиксируем рабочие точки, соответствующие состояниям схемы с идеальным ключом. Параметры источника питания (Е) и сопротивления внешнего резистора (R) известны. Через эти точки проводим нагрузочную прямую

3) Точки А и В пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперными характеристиками будут рабочими точками схемы с неидеальным ключом.

Вольт-амперные характеристики и нагрузочная прямая ключевой схемы для МДП транзистора

4. ВЫВОД

В данном случае нелинейных вольт-амперных характеристик параметры рабочих точек будут следующими.

При разомкнутом ключе - состоянии насыщения -U нас ? 0, I нас< ER

При замкнутом ключе - состояния отсечки - Uотс < E, Iотс?? 0?

2 ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАНИЯ

Задание № 2. Показать динамику процессов переключения ключа на рисунке 2.5 с учетом переходных процессов (задержек переключения), имеющих место в транзисторе.

Рисунок 2.5 -Схема ключа на МДП транзисторе.

3. РЕШЕНИЕ

Ключевая схема МДП транзистора (МДП-металл-диэлектрик-полупроводник) показана на рисунке 2.5, где

- Iз -сопротивление в цепи затвора (может отсутствовать, так как входное сопротивление очень велико

- Iс -ток затвора (очень мало)

- Uси-напряжение сток-исток

- С-сток

- З- затвор

- И-исток

Управление состоянием ключа осуществляет сигнал Uвх=0. При отсутствии управляющего сигнала транзистор будет заперт, т.е находиться в режиме отсечки, что равносильно разомкнутому ключу, а при наличии управляющего сигнала транзистор будет открыт, т.е. находиться в режиме насыщения, что равносильно замкнутому ключу.

Когда входной сигнал ключевой системы равен нулю, что соответствует логическому нулю, выходное напряжение больше нуля, что соответствует логической единице, и наоборот. Следовательно, данная ключевая система обладает свойством инверсии входного сигнала.

Электрические и логические параметры ключевой схемы

Временные диаграммы ключевой схемы на транзисторе в идеальном случае.

транзистор ключ переходный

Как в любой системе, в полупроводниковых элементах процессы не могут протекать мгновенно за счет инерции. Переход объекта или системы из одного устойчивого состояния в другое носит название переходного процесса или переходного режима, протекающего во времени.

Временные диаграммы ключевой схемы на транзисторе с учетом задержек на переходный процесс.

4. ВЫВОД

Для надежной работы схемы требуется, чтобы после окончания переходного процесса обязательно существовал установившийся режим, то есть частота входного сигнала была достаточной для своевременного завершения переходных процессов.

Требования к максимальной частоте входного сигнала с учетом инерциальных свойств ключевого элемента, выраженных как tПП, определяется по формуле

Тх > 2*tПП или fx < 1/(2* tПП).

где

Тх- период входного сигнала

tПП - период перехода объекта или системы из одного устойчивого состояния в другое

fx-частота входного сигнала