3.2Ключи на биполярных транзисторах - Конспект лекций по курсу Компьютерная электроника''

^

3.2Ключи на биполярных транзисторах


Транзисторные ключи служат для коммутации цепей нагрузки под воздействием управляющих сигналов. Транзисторы обладают усилительными свойствами и поэтому способны коммутировать достаточно большие напряжения и токи малыми входными. Наиболее широко распространены транзисторные ключи на биполярных транзисторах при включении по схеме с общим эмиттером. Эти ключи составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, на их основе реализуются наиболее широко используемые логические микросхемы типа ТТЛ.
^ АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА.
В соответствии с функциями ключа транзистор в статическом режиме может находиться в режиме отсечки и в режиме насыщения. Если транзистор насыщен (ключ замкнут), его эмиттерный и коллекторный переходы прямо смещены. При этом ток коллектора Iк=Iкн практически определяется внешними по отношению к транзистору элементами: Iкн=Ек/Rк (рис. 3.6), выходное напряжение соответствует остаточному напряжению на насыщенном транзисторе. В состоянии отсечки (ключ разомкнут) оба перехода транзистора смещены в обратном направлении, ток коллектора определяется величиной обратного тока коллекторного перехода, а выходное напряжение примерно равно напряжению питания схемы Ек. Условием режима отсечки является обратное смещение эмиттерного перехода транзистора: , где Uпop - пороговое напряжение транзистора (для германиевых Uпop  0, для кремниевых Uпор  0.6 В).

Рисунок 3.6-Схемы ключей на БТ
На режим отсечки оказывает влияние обратный ток коллекторного перехода, который при закороченном эмиттерном переходе достигает значения 2Iкбо, а при обратносмещенном переходе равен Iкбо. У германиевых транзисторов Iкбо на несколько порядков больше, чем у кремниевых, поэтому условия отсечки в транзисторных ключах на германиевых и кремниевых транзисторах несколько различны. В ключах на кремниевых транзисторах из-за того, что Uпop  0.6 В источник смещения для запирания транзистора не используют (рис. 3.6, а). Напряжение на базе транзистора в таких ключах: Uб = U0вх + IкбоRб, где U0вх - напряжение логического нуля на входе ключа, определяемое низким уровнем входного напряжения, которое, как правило, снимается с другого аналогичного ключа и не равен нулю. Таким образом, условие режима отсечки для ключа на кремниевом транзисторе можно записать следующим образом: Uпop > Uб = U0вх + IкоRб. В ключах на германиевых транзисторах, у которых Uпop  0, для надежного запирания транзистора применяют дополнительный источник смещения Есм (рис. 3.6, б). В этом случае напряжение на базе транзистора равно: Uб = ЕсмRб/(Rб+R) -IкбоRбR/(Rб + R). Так как Uб должно быть больше нуля, то условие отсечки для ключей на германиевых транзисторах можно записать в виде: Есм > IкбоR.
Ток Iкбо сильно зависит от температуры у для германиевых транзисторов практически удваивается с увеличением температуры на каждые 100С: . Поэтому в условии отсечки следует подставлять Iкбоmах. Протекание тока Iкбо через Rк приводит к уменьшению входного напряжения, которое для режима отсечки можно записать . Для получения режима насыщения на вход ключа необходимо подать отпирающее напряжение, обеспечивающее базовый ток, больший тока базы насыщения Iбн. Этот ток определяется через ток коллектора насыщения Iкн=Ек/Rк. Если коэффициент усиления транзистора h21э, то Iбн=Iкн/h21э. Т.о. условие насыщения ключа: Iб ≥ Iбн=Ек/Rкh21э. Условие насыщения для схемы (рис. 3.6, б) имеет вид: Iб = U1вх/Rб -Есм/R  Ек/h21эRк, где U1вх - входное отпирающее напряжение, соответствующее напряжению логической единицы. Условие насыщения для схемы ключа без дополнительного источника смещения (рис. 3.6, а): Iб  U1вх/Rб  Ек/h21эRк. Для надежности срабатывания ключа обычно выбирают Iб = Iбн, где  - степень насыщения транзистора. Обычно эту величину принимают равной значению 1.5..2.5.
^ ВЛИЯНИЕ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ НА РАБОТУ КЛЮЧА
Нагрузку к ключу можно подключать двумя способами: параллельно Rк или параллельно транзистору. Нагрузка R`н, подключенная параллельно Rк называется незаземленной. Подключение такой нагрузки равносильно уменьшению сопротивления коллекторного резистора до значения R`к=RкR`н/(Rк+R`н), что приводит к уменьшению степени насыщения транзистора. Следовательно, сопротивление нагрузки можно уменьшать до тех пор, пока степень насыщения   min. Минимальное сопротивление нагрузки в этом случае составляет Rнmin = Rк/(min-1). Нагрузка Rн, подключенная параллельно транзистору называется заземленной. Подключение ее вызывает уменьшение напряжения на коллекторе в закрытом состоянии транзистора. Это приводит к уменьшению напряжения на выходе, т.к. напряжение источника распределяется между Rк и R``н: Uвых  ЕкR``н/(Rк + R``н).
^ ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА.
При воздействии на вход ключа прямоугольного импульса, имеющего крутые фронты, транзистор включается и выключается не мгновенно, а за конечные промежутки времени, определяемые длительностью переходных процессов. Переходные процессы включают задержку включения (tз), передний фронт (t+ф), рассасывание избыточного объемного заряда (tp) и задний фронт (срез) (t-ф) коллекторного тока.
Задержка включения обусловлена перезарядом входной емкости Свх от напряжения запирания Uбэ до напряжения отпирания транзистора UПop. Время задержки включения приближенно можно определить, как , где Свх = Сэ + Ск - входная емкость транзистора; Сэ, Ск - емкости эмиттерного и коллекторного переходов; Iб - ток включения транзистора; Uбз - напряжение на базе запертого транзистора.
Фронт коллекторного тока обусловлен инерционными процессами изменения концентрации носителей в базе и изменениями заряда барьерной емкости коллекторного перехода. Длительность фронта: t+ф = эквln(iб/(iБ - Iбн)), где экв =  + h21эRкСк - эквивалентная постоянная времени;  = h21э/2fa - постоянная времени транзистора, отражающая его инерционные свойства.
Рассасывание обусловлено уменьшением избыточного объемного заряда. На этом этапе транзистор выходит из насыщения на границу насыщения. Время рассасывания можно определить по выражению: tp = ln(iб + iб2)/(Iбн + iб2), где iб2 - ток базы при выключении транзистора.
Срез коллекторного тока обусловлен инерционным характером уменьшения заряда в базе. На этом этапе транзистор с границы насыщения переходит в область отсечки. Длительность среза: t-ф = эквln(iб2 + Iбн)/iб2).
Для уменьшения времени переходных процессов отпирания и запирания транзисторного ключа, определяющих длительность фронтов импульса коллекторного тока, транзистор надо включать и выключать форсированно, обеспечивая ток Iб>>Iбн. Для уменьшения времени рассасывания избыточного заряда в установившемся режиме коллекторного тока (iк=Iкн) степень насыщения транзистора должна быть минимальной (вкл1.2..1.5) или транзистор должен работать в ненасыщенном режиме. Эти принципы положены в основу большинства схем транзисторных ключей повышенного быстродействия. Среди наиболее широко распространенных схемных способов повышения быстродействия транзисторных ключей можно выделить следующие: динамическая форсировка режимов включения и выключения с помощью RC-цепей; использование нелинейной обратной связи; применение переключателей тока. Рассмотрим суть перечисленных методов повышения быстродействия.

^ ДИНАМИЧЕСКАЯ ФОРСИРОВКА РЕЖИМОВ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ.

При динамической форсировке режимов включения и выключения ток включения iБ(t) не остается постоянным в течение всего процесса включения. Шунтирование части базового резистора Rб1 конденсатором Сф создает зарядную цепь СфRб2 (рис. 3.7, а), в которой в момент включения устанавливается ток Iбвкл(0)  Ек/Rб 2>> Iбн.

Рисунок 3.7- Схема ключа с динамической форсировкой
По мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается и в установившемся режиме Iбвкл()  Ек/(Rб1 + Rб2)  Iбн (рис. 3.7, б). Запирание транзистора также сопровождается динамической форсировкой из-за разряда конденсатора Сф, добавляющего к постоянному запирающему смещению экспоненциально уменьшающийся потенциал. Емкость Сф должна быть оптимальной, т.к. с увеличением Сф сокращается t+ф, но может увеличиться глубина насыщения, а с уменьшением Сф увеличивается t+ф и t-ф за счет сравнительно малых токов базы. Оптимальное значение емкости Сф зависит от постоянной времени экв. Сфопт  экв/Rб1.

^ ПРИМЕНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.

В схеме на рис. 3.8, а насыщение транзистора предотвращается тем, что коллекторный потенциал с помощью диода VD фиксируется на уровне потенциала базы. При включении транзистора в первый момент времени потенциал анода диода VD равен почти -Ек, а потенциал катода U1 = -ЕкRб2/(Rб1 + Rб2). Диод закрыт и базовый ток транзистора равен

iб = Ек/(Rб1+Rб2) >> Iбн.

Рисунок 3.8-Использование нелинейной обратной связи
Транзистор форсированно открывается до т.2 (рис. 3.8, в). В т.2 напряжение Uк(t)=Ul и диод открывается. Схема приобретает вид (рис. 3.8,б), где Rэ=Rб1║Rк. Вступает в действие отрицательная обратная связь между коллектором и базой. Теперь ток iБ определяется величиной Uк(t), которая зависит от iб. Схема дотягивает до динамического установившегося значения Uк(), причем транзистор работает в активном (ненасыщенном) режиме. Определим величину остаточного напряжения на открытом ключе. Для схемы, приведенной на рис. 3.8, б, справедливо соотношение Ек = Uк() + iэRэ, где iэ = iк + iб = iбh21э + iб = iб(1 + h21э). С учетом того, что iб = Uк()/Rб2, получим Uк() = Ек/[1 + (1+ h21э)Rэ/Rб2].
Быстродействие ключа повышается за счет того, что исключается процесс рассасывания, т.к. предотвращается насыщение транзистора из-за фиксации Uкб на уровне меньшем, чем необходимо для смещения перехода в прямом направлении. Существенного повышения быстродействия можно добиться при использовании в качестве VD высокочастотных диодов, например, диодов Шоттки. При использовании этого метода необходимо учитывать то, что в результате ухудшаются некоторые параметры ключа: относительно большое (порядка 0.5 В и более) падение напряжения на открытом ключе; худшая помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии; существенно худшая температурная стабильность.
^ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ТОКА (ПТ)
В ряде случаев требуется не простая коммутация тока в нагрузке, а переключение тока из одной электрической цепи в другую. Такую функцию могут выполнять ПТ. Основное свойство ПТ заключается в том, что транзисторы в нем работают без насыщения, в результате эти ключи обладают очень высоким быстродействием. Достигается это путем переключения постоянного тока определенного значения с помощью малого изменения управляющего напряжения (например, десятых долей вольта). Схема ПТ приведена на рис. 3.9, а. База VT2 подключена к источнику опорного напряжения Еб. На базу VT1 подается входной управляющий сигнал Uвх. Ток должен переключаться либо в Rк1, либо в Rк2. Выходное напряжение может сниматься либо с коллектора VT1, либо с коллектора VT2. Изменение напряжения на коллекторах этих транзисторов противофазно. Наконец, можно включить нагрузку и между коллекторами VT1 и VT2 (так называемое дифференциальное включение нагрузки). В этом случае при переключениях направление тока в нагрузке изменяется. Схема полностью симметрична: VT1 и VT2 однотипные, Rк1=Rк2. В зависимости от соотношения величин входного и опорного напряжений возможны три режима работы схемы. Рассмотрим эти режимы.
Если Uвх=Eб (уч. 0-t1, рис. 3.9, б), оба транзистора работают в активном режиме, iэ1 = iэ2 = Iэ/2 и Uк1 = Uк2  Ек - IэRк/2. Напряжения, действующие на базах транзисторов, практически полностью повторяются на эмиттерах. По второму закону Кирхгофа Uэ = Eб - Uпор.

Рисунок 3.9-Схема переключателя тока и иллюстрация его работы
При Uвх > Eб Uэ = Uвx - Uпop. Так как напряжение на базе VT2 зафиксировано на уровне Еб, то возрастание напряжения Uэ приводит к уменьшению Uбэ2 и уменьшению тока iк2. Если напряжение Uвх продолжает возрастать, то VT2 продолжает запираться. Когда Uэ достигает значения Еб и немного превысит его, обеспечивается условие запирания VT2. После запирания VT2 ток Iэ практически весь протекаем через VT1, т.е. iк1Iэ. Очевидно, что для запирания VT2 требуется небольшое приращение напряжения относительно уровня Еб. Значение этого приращения имеет порядок напряжения Uпop2.
При Uвх < Eб на эмиттерах VT1 и VT2 повторяется наибольшее из их базовых напряжений, т.е. Uэ = Eб - Uпop2. Уменьшение Uвх при фиксированном Uэ вызывает уменьшение Uбэ1 и соответственно iк1. Теперь большая часть Iэ протекает через VT2. Если уменьшение Uвх превысит значение Uпop1, то напряжение на базе VT1 окажется отрицательнее напряжения на эмиттере и VT1 будет полностью заперт. Весь ток будет протекать через транзистор VT2.
Т.о. малые изменения напряжения относительно уровня Еб могут вызывать переключение тока Iэ из одной цепи в другую. Так если Uпop  0.3 В, то приращение напряжения на ± 0.3 В вызовет переключение тока. На практике принимают величину управляющего сигнала В. Большие значения изменения амплитуды входного сигнала нежелательны, т.к. могут вызвать насыщение одного из транзисторов, что снизит быстродействие схемы. Вычислим амплитуду напряжения на одном из коллекторов, например на коллекторе VT2: при Uвх = Eб + U, VT2 заперт и Uк2max = Е; при Uвх = Еб -U, VT2 открыт, Iэ2 = Iэ, Iк2 = Iэ, Uк2min = Ек - IэRк2, Um = Uк2max -Uк2min = IэRк2.
Высокая скорость переключения ПТ обусловлена следующими факторами: а) открытые транзисторы работают в активном режиме, что исключает время рассасывания; б) перезаряд паразитных емкостей, шунтирующих коллекторы, протекает очень быстро, т.к. при малых перепадах напряжения сопротивления коллекторов оказываются небольшими (сотни Ом); в) т.к. транзисторы работают в схеме ОБ ( = /h21э) длительность переключения составляет примерно единицы наносекунд. В результате ПТ самые быстродействующие среди полупроводниковых транзисторных ключевых схем и широко применяются в интегральной схемотехнике.

gerbert-spenser-opiti-nauchnie-politicheskie-i-filosofskie-stranica-27.html
gerbert-spenser-opiti-nauchnie-politicheskie-i-filosofskie-stranica-28.html
gerbert-spenser-opiti-nauchnie-politicheskie-i-filosofskie-stranica-29.html
gerbert-spenser-opiti-nauchnie-politicheskie-i-filosofskie-stranica-31.html
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат