Лабораторна робота № 5

       Тема роботи: „ Вивчення ключових схем на транзисторах “

       Мета роботи: Використовуючи можливості середовища EWB, досліджувати  статичні і динамічні параметри ключів на біполярних транзисторах.

   

          Завдання до лабораторної роботи: У програмному середовищі EWB скласти схеми ключів на біполярних  транзисторах. Використовуючи можливості середовища, досліджувати їх статичні і динамічні параметри.

Обладнання:  Програмне середовище EWB.

 

       Короткі теоретичні положення:

1. У робочому вікні середовища зібрати схему простого ключа на біполярному транзисторі типа 2N2218 з бібліотеки Transistors (див. ріс.1). У цій схемі транзистор VT працює в ключовому режимі – під дією імпульсного сигналу, що управляє, перемикається з режиму відсічення в режим насичення, комутуючи тим самим струм у вихідному колекторному ланцюзі. Як джерело вхідних сигналів, що управляють, використаний бібліотечний генератор прямокутних імпульсів (Eб) з наступними установками – частота дотримання імпульсів 50 кГц, шпаруватість 50%, амплітуда 1В, зрушення рівня 0.5В. За допомогою двопроменевого осцилографа переконатися в працездатності ключа і визначити статичні і динамічні параметри. До статичних параметрів відносяться високі низькі рівні вхідної і вихідної напруги ключа - ., ,  ,  д динамічних – часи перемикань ключа із замкнутого стану в розімкнене і назад.

Рис.1 Простий ключ на біполярному транзисторі.

На ріс.2 приведені тимчасові діаграми вхідної і вихідної напруги ключа, отримані за допомогою віртуального двопроменевого осцилографа. Видно, що в даному випадку   =1,5В,   =-0,5В,   =5В,   =40мВ. Далі за допомогою осцилографа визначалися зразкові тимчасові інтервали процесів відкриття і закривання ключа для подальшого точного тимчасового аналізу з використанням в головному меню пункту «Analysis» і підпункту «Transient». Як видно з ріс.2 процес відкриття ключа, що викликається позитивним перепадом вхідного сигналу, можна детально досліджувати на тимчасовому інтервалі (19.9-20.7) мкс, а процес закривання ключа, що викликається негативним перепадом вхідного сигналу, - на інтервалі (9.7-11.3) мкс. Підпункт «Transient» дозволяє отримати

 

Рис.2 Часові диаграми роботи ключа ключа

 

перехідні процеси роботи ключа на вибраних тимчасових інтервалах, а використання підпункту «Parameter Sweep» дозволяє вивчити вплив елементів схеми ключа на тривалість процесів перемикання. На рис.3 і рис.4 приведені результати комп'ютерного аналізу тимчасових процесів відкриття і закривання ключа при різних значеннях резистора Rб.

Рис.3 Перехідний процес відкриття ключа.

З рис.3 видно, що при максимальному значенні час переходу транзисторного ключа із закритого стану (  д =5В) у відкрите (  д =40мВ) складає приблизно 500нс і зменшується із зменшенням Rб, Точніше виміряти час відкриття можна використовуючи рівні (0.1 – 0.9) від логічного перепаду Uд = (  ). З рис.4 видно, що процес закривання транзистора складається з двох стадій - затримки закривання (tзд) і часу закривання (). При максимальному значенні Rб затримка закривання складає приблизно 500нс, а час закривання – 200нс. Із зменшенням Rб затримка закривання зростає а час закривання зменшується.

Рис.4 Перехідний процес закриття ключа.

Використовуючи в головному меню пункт «Analysis», підпункти «Parameter Sweep» і «Transient», самостійно досліджувати вплив опору навантаження і ємкості навантаження на параметри перехідного процесу включення і виключення транзисторного ключа. Для чого спочатку за допомогою перемикача підключити до виходу ключа опір навантаження і провести аналіз при зміні в діапазоні (0.5 - 2.5) кОм через 1кОм. Потім за допомогою перемикача підключити до виходу ключа ємкість навантаження і провести аналіз при зміні в діапазоні (500 – 1500) пФ через 500пФ.

 2. У програмному середовищі EWB зібрати схему ключа з нелінійним зворотним зв'язком (див. рис.5), використовуючи біполярний транзистор 2N2218 і діод Шотки 1N4001. Як джерело вхідних сигналів використовувати бібліотечний генератор прямокутних імпульсів з наступними установками, що управляють, – частота дотримання імпульсів 150 кГц, шпаруватість 50%, амплітуда 1В, зрушення рівня 0.5В. За допомогою двопроменевого осцилографа переконатися в працездатності ключа, визначити зразкові тимчасові інтервали процесів відкриття і закривання ключа для подальшого точного аналізу. Використовуючи меню «Analysis» і підміню «Transient», отримати перехідні процеси відкриття і закривання ключа з розімкненим ланцюгом нелінійному зворотному зв'язку. Виміряти часи відкриття і закривання транзисторного ключа по рівнях (0.1 – 0.9) Um, особливу увагу звернути на

                   

Рис.5 Ключ з нелінійним зворотнім зв’язком.

вимір часу затримки закривання. Виміряти залишкову напругу на відкритому транзисторі. Використовуючи меню «Analysis» і підміню «Transient», отримати перехідні процеси відкриття і закривання ключа із замкнутою

 

 

Рис.6 Перехідний процес закриття ключа з нелінійним зворотнім зв’язком.

ланцюгом нелінійного зворотного зв'язку. Виміряти часи відкриття і закривання транзисторного ключа по рівнях (0.1 – 0.9) Um, особливу увагу звернути на відсутність часу затримки закривання ключа. Виміряти залишкову напругу на відкритому транзисторі.

3. У програмному середовищі EWB зібрати транзисторний ключ за схемою перемикача струму на двох транзисторах 2N2218 (див. ріс.6). Як джерело вхідних сигналів використовувати бібліотечний генератор прямокутних імпульсів з наступними установками, що управляють, – частота дотримання імпульсів 100 кГц, шпаруватість 50%, амплітуда 100мВ, зрушення рівня 0. За допомогою двопроменевого осцилографа переконатися в працездатності перемикача струму, визначити зразкові тимчасові

інтервали процесів відкриття і закривання перемикача струму для подальшого точного тимчасового аналізу. Використовуючи меню «Analysis» і підміню «Transient», отримати перехідні процеси відкриття і закривання перемикача струму. Виміряти часи відкриття і закривання, а також низькі і високі рівні вхідних і вихідних сигналів перемикача струму.

Рис. 6 Ключ на основі перемикача струму.

 

4. У програмному середовищі EWB зібрати транзисторний ключ на комплементі МОН транзисторах (див. рис.7). Як джерело вхідних сигналів використовувати бібліотечний генератор прямокутних імпульсів з наступними установками, що управляють, – частота дотримання імпульсів 100 кГц, шпаруватість 50%, амплітуда 3В, зрушення рівня 3В. За допомогою двопроменевого осцилографа переконатися в працездатності транзисторного ключа, визначити зразкові тимчасові інтервали процесів відкриття і закривання ключа для подальшого точного тимчасового аналізу. Використовуючи меню «Analysis» і підміню «Transient», отримати перехідні процеси відкриття і закривання ключа. Виміряти часи відкриття і закривання, а також низькі і високі рівні вхідних і вихідних сигналів ключа.

 

 

                                   

Рис.7 Ключ на комплементарних МОП-транзисторах.

 

5. На основі транзисторних ключів побудовані інтегральні логічні елементи (ІЛЕ). Простий ключ на біполярному транзисторі з'явився основою для створення транзисторно-транзисторної логіки - ТТЛ – серій ІЛЕ (вітчизняні серії 155 і 131), ключ з нелінійним зворотним зв'язком - основою для створення швидкодіючих ТТЛШ – серій ИЛЕ (вітчизняні серії 555 і 1533), ключ на основі перемикача струму - основою для створення емітерно-зв'язаної логики - ЭСЛ – серий ИЛЭ (отечественная серия 1500), ключ на комплементарних МОП-транзисторах - основой для створення КМОП – серій ИЛЕ (отечественные серии 1561 и 1564).Для зняття статичних параметрів ИЛЕ в програмному середовищі EWB зібрати схему базового елемента ТТЛ – серії (див. рис.8). В цій схемі многоеміттерний транзистор замінен одноемітерним транзистором VT1 (логічна операція И в даному випадку не потрібна).

 

              Рис.8 Базовий ТТЛ елемент в якості ключа-інвертора

 

              Рис.9 Передаточна характеристика ТТЛ ключа-інвертора

Використовуючи в головному меню пункт «Analysis», підпункт «Parameter Sweep» отримати передавальну характеристику ключа-інвертора, тобто залежність від.(див. ріс.9). Вхідну напругу подавати від джерела напруги, варіюючи його в діапазоні від 0В до 4В з кроком 0.1В. На передавальній характеристиці видно два стійкі стани ключа-інвертора – крапка А() і крапка В(). По передаточной характеристике определите самостоятельно следующие статические параметры ТТЛ элемента: высокие и низкие уровни входного и выходного напряжений, пороговое напряжение, логический перепад и статическую помехоустойчивость к положительным и отрицательным сигналам помехи.

6. Интегральные логические элементы выполняются в виде интегральных микросхем (ИМС) различных серий. На рис.10 показано включение ТТЛ микросхемы 7400 из библиотеки среды EWB. Микросхема представляет собой четыре независимых двухвходовых логических элемента 2И-НЕ.

Рис.10 Прклад включення мікросхеми 7400

 

Сьомий вивід слід заземлити, на чотирнадцятий вивід подати напругу джерела живлення, 1А і 1В-вході, а 1y-віхід першого ЛЕ у складі мікросхеми. Генератор вхідних сигналів забезпечує на

Рис.11 Осциллограми вхідної и виходної напруги інвертора

 

об'єднаних входах ІЛЕ послідовність прямокутних імпульсів, тобто чергування високих і низьких рівнів напруги. Об'єднання входів ЛЕ 2І-НЕ (згідно із законом повторення алгебри-логіки =) перетворює цей елемент на інвертор, сигнал на виході якого є інверсією вхідної напруги, що і показує двопроменевий осцилограф (див. ріс.11). З цього малюнка також видно, що вихідний сигнал відстає від вхідного, тобто проходя через ЛЕ, сигнал затримується. Тимчасова затримка визначає основні динамічні параметри ЛЕ і.Ізмеріть ці параметри за допомогою візирів осцилографа.

7. Електричними еквівалентами логічних констант одиниці «1» і нуля «0» в програмному середовищі EWB є відповідно Pull-up Resistor і Ground. Скористайтеся відомою тотожністю алгебри-логіки = і зберіть другий варіант інвертора на основі ІМС 7400. Зберіть також схему здійснюючу подвійну інверсію (=) вхідної логічної змінної A. Для виконання цього завдання використовуйте два ЛЕ в мікросхемі 7400. Правильність зібраних схем перевіряйте сигналами двопроменевого осцилографа.

8. Робота цифрового пристрою описується таблицею істинності. Для

Рис.12 Схема для снятия таблицы истинности

 

зняття такої таблиці можна скористатися схемою, приведеною на ріс.12. Ключі Кл.1 і Кл.2 забезпечують можливість перебору всіх можливих комбінацій вхідних логічних сигналів. Відзначимо, що сигнальні лампи світяться, коли на відповідному виводі сигнал логічної одиниці «1». За станом лампи Л3 записуються значення вихідної логічної змінної.

9. Скористайтеся законом інверсії для суми логічних змінних = і зберіть схему, що виконує логічну операцію АБО-НЕ, на основі чотирьох ЛЕ у складі ІМС 7400. Правильність отриманої схеми перевіряйте складанням її таблиці істинності.

10. Мікросхема 7402 з бібліотеки середовища EWB є чотири незалежних двухвходових логічних елементу 2ІЛІ-НЕ. Скористайтеся відомою тотожністю алгебри-логіки = і = і зберіть два варіанти інвертора на основі ІМС 7402. Зберіть також схему здійснюючу подвійну інверсію (=) вхідної логічної змінної A.

11. Скористайтеся законом інверсії для твору логічних змінних = + і зберіть схему, що виконує логічну операцію І-НЕ, на основі чотирьох ЛЕ у складі ІМС 7402. Правильність отриманої схеми перевіряйте складанням її таблиці істинності.