Диодно-транзисторный элемент с простым инвертором

Лабораторная работа №1

Тема: «Диодно – транзисторный элемент с простым инвертором»

Дано:

U_пор=0.7 В, U_пом=0.5В, I⁰_вх=0.1мА, I⁰_вых=12мА, I¹_вых=0.4мА

Рисунок 1. Простой инвертор

Необходимо:

1)  Спроектировать

2)  Построить теоретические характеристики

3)  Сныть характеристики экспериментально

Характеристики следующего типа:

1)  I_вх(U_вх)

2)  U_a(U_вх)

3)  U_b(U_вх)

4)  U_вых(U_вх)

5)  I_вых(U_вых) при U_вх = 0

6)  I_вых(U_вых) при U_вх = 1

7)  U_вх(t), U_вых(t), при C_н  ³150пФ

f=100кГц – 1МГц

Расчет элементов схемы:

1.  Определим количество диодов смещения и их тип. Для надежного запирания транзистора в том случае, если на входе схемы U⁰_вх, необходимо, чтобы выполнялось условие U_пор£nU_пр  где U_пр – прямое напряжение на диоде, n – количество диодов. Таким образом, определим количество диодов:

Следовательно необходим 1 диод смещения, прямое падение напряжения которого U_пр=1,1 – Д522Б

2. Рассчитаем сопротивление R1. По ВАХ диода VD1 определяем падение напряжения на диоде при протекание через него входного тока. Получаем U_д= 0,3 В. Пологая что ток не ответвляется в цепь базы, падение напряжения на R1 должно составлять U_R1=U_n-U_VD1 , следовательно

3. Рассчитаем сопротивление R2. Этот резистор обеспечивает подачу напряжения смещения на базу транзистора, то есть удерживает его в открытом состоянии, служит для отвода транзисторного тока утечки, а так же, как цепь дополнительного обратного тока базы транзистора при выключение его. Сопротивление выбирают таким, чтобы при насыщение транзистора через резистор R2 проходил ток, составляющий 10% - 20% от тока базы насыщенного транзистора.

Возьмем КТ315Б.

Для данного транзистора U_кэнас=0,4 В, исходя из этого зададимся U_зап = 0,25. При U_зап=0,25 В , . Сопротивление R2 определим следующим образом:

Рассчитаем резистор R3. Будем считать что U¹_вых³U_пор+U_пом/2 =0,7+0,25 =1В . U⁰_вых³U_пор-U_пом/2 = 0,7-0,25=0,5В. Значение R3 должно находиться в интервале  R3_min£R3£R3_max где , R3_min находиться из условия:

Построение теоретических характеристик:

Входная характеристика

Для построения входной характеристики используем схему на рисунке 1. При этом будем считать, что на входе схемы действует положительное напряжение . За положительное направление тока принимаем ток, втекающий в элемент.

Построение входной характеристики будем производить по пяти характерным точкам.

Положим =4 [В]. Тогда

Точка 5 определяется тем, что для неё , а ток  равен обратному току диода VD1, поскольку последний закрыт, то есть  [мкА]. При этом транзистор VT1 находится в режиме насыщения, а ток =25 [мкА].

Сопротивлением R₂  пренебрегаем, так как  и составляет приблизительно 10% от ; переход база-эмиттер транзистора  заменяем на переход диода.

При уменьшении входного напряжения , входной диод открывается, и через него начинает идти ток . Так как ток  I_вх5 идёт в сторону противоположную  I_вх4, I_вх3, I_вх2  запишем последние со знаком «минус».

Задаём для точки 4 ток [мкА]; для точки 3 ток [мкА]; для точки 2 ток  [мкА].

Вольт - амперные характеристики всех диодов и перехода база-эмиттер транзистора будем считать одинаковыми (рисунок 2). Их аналитические зависимости представляются в виде:

; [мА];

; [В];

 [В].

Тогда напряжение на входе . Подставляя в это выражение вместо значения тока I₁ значения токов  I_вх4 ,I_вх3 ,I_вх2 , получим значения соответствующих входных напряжений. Напряжение U_вх3  должно соответствовать напряжению U_пор.

Когда через смещающие диоды ток не течёт, то есть I_R1=I_вх, то значение тока:

Это уравнение – уравнение прямой и соответствует участку 1–2 характеристики. Наклон участка 1–2 равен 1/R₁. При U_вх=0, получим [мкА], что соответствует точке 1 на характеристике.

Передаточная характеристика 

Для построения передаточной характеристики используем схему на рисунке 1.  Будем считать, что диод VD₁  закрыт, и К_раз=0, то есть нагрузка отсутствует.

Построим передаточную характеристику по характерным точкам.

Характерная точка 1.

Она соответствует границе закрытого состояния транзистора, когда выполняется соотношение [В] (0.03 соответствует 3% от логического перепада).  Ток коллектора и базы транзистора в этом случае: .

Определим напряжение U_БЭ с учётом сопротивления базы:

 [В],  где  принимаем =100 [Ом].

Токи [мкА];  [мкА];

Напряжение на входе (в общем виде)   После подстановки всех данных получим напряжение на входе в точке 1: U_вх1 =2.177 [В].

Характерная точка 2.

Для данной точки берём следующее соотношение [B]. Выполнив расчёты, аналогичные расчёта для точки 1, получим [B].

Характерная точка 3. Для неё выбираем соотношение  [B]. Тогда  [B].

Характерная точка 4.

Для неё  [B].

Тогда [B].

Характерная точка 5.

Она является границей насыщения. Для неё справедливо соотношение:

[мА].  .

Тогда [B] (принимаем [Ом] – сопротивление тела коллектора насыщенного транзистора, ).

Таким образом, все точки передаточной характеристики найдены.

Выходная характеристика

Для получения выходной характеристики используем схему, изображённую на рисунке 1. Выходная характеристика снимается  при отключенной нагрузке для следующих двух состояний элемента:

·  Элемент выключен. При этом транзистор закрыт и на выходе будет напряжение . Тогда на входе напряжение .

Для выключенного элемента выходная характеристика определяется выражением , представляющим собой уравнение прямой. Определим точки пересечения с осями координат. При  (знак минус показывает направление выходящего из элемента тока). При отрицательных напряжениях на выходе транзистор переходит в инверсный активный режим.

·  Элемент включён. При этом транзистор находится в режиме насыщения, на выходе будет напряжение . Тогда на входе будет напряжение .

В этом случае:

Характеристики построенные с помощью Work Bench.

1)  I_вх(U_вх)

2)  U_a(U_вх), U_b(U_вх)

3)  U_вых(U_вх)

4)  I_вых(U_вых) при U_вх = 0

5)  I_вых(U_вых) при U_вх = 1

6)  U_вх(t), U_вых(t), при C_н  ³150пФ

f=100кГц

5V / div

1 mks / div