Шпоры по электронике2
.doc
Основные требования:
-
Малое внутреннее сопротивление во включенном состоянии
-
Возможно большое в выключенном
-
Высокое быстродействие
-
Высокая стабильность пороговых уровней ключа
-
Высокая помехоустойчивость
Качество ключа определяется:
-
Падение напряжения на ключе в замкнутом состоянии
-
Ток через колюч в разомкнутом состоянии
-
Временем перехода из одного состояния в другое
Ключи бывают механические, электромеханические и электронные.
Диодные ключи
Контакты ключа замкнуты при I>0 и разомкнуты при U<0
Последовательные ключи Параллельные ключи
UВЫХ= UВХ [R/(R+RД)] UВЫХ= UВХ [RД/(R+RД)]
Ограничители:
UВХ<EСМ –диод закрыт(UВЫХ=EСМ)
UВХ>EСМ –диод открыт(UВЫХ≈UВХ)
Если изменить полярность EСМ то Если изменить полярность EСМ то
график – штрих график – штрих
Транзисторный ключ
UБ<UП – транзистор всегда закрыт
Режимы работы транзисторного ключа:
РО:
Рабочая точка находится в точке А
UВХ<U0 IК=IКБ0≈0 (IКБ0 - обратный ток коллекторного перехода)
UВЫХ<ЕК
В кремниевых транзисторах UП>UБ (UП>U0+ IКБ0R)
АР:
Транзистор открыт, но не насыщен (А<РТ<Б)
UП<UВХ<U1
IK=BIБ, B – интегральный коэффициент передачи
UВЫХ= UКЭ=ЕК- IКRK
IК0<IК<IК НАС UП<UБ
РН:
Рабочая точка находится в точке Б
UВХ=U1 IБ≥IБ НАС IБ НАС=IК НАС/В
IК=IК НАС≈ЕK/RK
IБ≥IБ НАС=IК НАС/В= ЕK/(RKВ)
Т.к. UВХ=U1, то IБ=(U1- UБ НАС)/R≈ U1/R => U1/R≥ ЕK/(RKВMIN)
Влияние нагрузки:
RН1 – незаземленная
Уменьшение сопротивления резистора RK:
RK1= RKRН1/(RK+RKRН1)
RН MIN – минимальная нагрузка при которой транзистор в РН
При S=1 IK1 НАС=ВMINIБ ВMINIБ= IБ НАСВMIN(1+ /RН MIN)
RН MIN=RK/(S-1) - условие сохранения РН
RН2 – заземленная
Нагрузка не влияет на ток IK НАС
Переходные процессы в ключе
Включение:
Заряд барьерной емкости изменяется за счет тока IБ
tЗ≈CЭUБЗ/IБ1
(UБЗ - напряжение на CЭ)
t3: заряд достигает QГР
tФ=τЭКВln(1/(1-1/S))
(τЭКВ=τβ+ВCKRK)- постоянная времени ключа для АР
S=IБ1/IБ НАС
[При IБ1>> IБ НАС длительность фронта tФ≈τЭКВ/S]
Выключение:
Обр. ток базы
IБ2=(UБ НАС- U0)/R
Время рассасывания
tP=τβln[(|IБ2|+IБ1)/(|IБ2|+IБ НАС)]
Время среза
tС=τЭКВln[(IБ2+IБ НАС)/IБ2)]
Схемы с повышенным быстродействием
С ускоряющей емкостью
IБ1=IC1=(UВХ-UБ НАС)/RИ≈UВХ/RИ (RC-близко к КЗ)
I’Б1= (UВХ-UБ НАС)/(RИ+R)≈UВХ/R (RC-близко к разрыву)
UC= R(UВХ-UБ НАС)/(RИ+R)≈UВХ
Оптимальное значение емкости конденсатора зависит от постоянной времени его заряда, которая не должна превышать tИ/3.
Ненасыщенный ключ с нелинейной ООС
Сопротивление RИ выбирают таким, чтобы при открытом диоде ток базы транзистора был строго равен току IБ НАС, т.е. IБ НАС=IВХ-IД
Ключ на германиевых транзисторах p-n-p
Т.к. напряжение порога запирание весьма мало, то вводят источник базового смещения.
РО: (рис. б)
UБ≥0 => RИ=0 => REБ/(RБ+R)-IКБ0RRБ/(R+RБ)≥0
Падение напряжение за счет тока IКБ0 действует в противоположном направлении от EБ и стремится открыть транзистор.
RБ≤EБ/IКБ0 MAX (IКБ0 MAX – обр.ток транзистора при макс.раб.темпер.)
РН: (рис. в)
IБ1≥ IБ НАС => IБ1= IВХ-IБ2=UВХ/R-EБ/RБ => IБ НАС=EK/RKB.
Цепи связи между ключами
VT1 – О(З)
VT2 – З(О)
UБ2≤UПОР (IБ2≥IБ2 НАС)
Логические операции и элементы
Диодно-транзисторные элементы
Перепад выходного потенциала у диодных схем ниже чем входного. Этот недостаток компенсируется в данной схеме за счет включения активного эллемента. VD4 и VD5 обеспечивают надежное запирание транзистора.
При отрицательной логике данный элемент выполняет операцию ИЛИ-НЕ, а при положительной – И-НЕ.
Высокое быстродействие, большой коэффициент объединения по входу, большой нагрузочный коэффициент, Высокая помехозащищенность. Удобны для микроэлектронного исполнения.
Недостаток – большое количество диодов (транзисторов в диодном включении [большая площадь])
Транзисторно-транзисторные элементы
И-НЕ
Многоэмиттерный транзистор.
Если на всех входах «1» то все переходы Э-Б закрыты. А переход К-Б открыт большим +Е. На выходе у нас «0»
Схема со сложным инвертором (повышение быстр-вия)
Триггеры
Триггеры на дискретных компонентах
Перепад напряжения на выходе: Um=|UК З-UК НАС|
Условия работоспособности:
Запирания UБ З≤UПОР (UБ З>>UПОР – p-n-p)одного транзистора и
Насыщения IБ≥IБ НАС другого.
Условие запирания: RБ≤ЕБIКБ0 MAX
Условие насыщения: R≤RK[BMIN/(1+BMIN{EБ/RБ}{RK/EK})-1]
Переключение триггера:
Разрешающее время ТMIN≈(S+6)τα (S – коэф. насыщения транзистора, τα – постоянная времени транзистора)
Максимальная частота переключения триггера FMAX=fα2π/(S+6)
(fα – верхняя граничная частота транзистора)
Способы запуска: раздельный и общий (счетный).
Запуск производится запирающими импульсами («+»-p-n-p, «-»-n-p-n)
(триггер срабатывает от скачков напряжения на входе, а не от его уровня [динамический вход]).
Т-триггер
Если VT1 – насыщен, а VT2 – заперт, то VT1 – открыт, так как UК1>UБ1, а VT2 – заперт отрицательным напряжением на диоде.
Вентили VD1-R’ и VD2-R’’.
Несимметричный триггер (триггер с эмиттерной связью, триггер Шмитта)
Условия работоспособности:
Исходное состояние:
Условие насыщения транзистора VT2:
Условие отсечки VT1: UВХ<[RКEЭ/(RК2+RЭ)]-IКБ0RГ
Рабочий режим:
Условие запирания VT2: RБ<UЭ2/IКБ0 MAX
Условие насыщения VT1: UВХ-UЭ2/RГ≥(EК-UЭ2)/(RК1B1MIN)
Необходимым и достаточным условием существования триггерного режима является: RГ≤ B1MINRЭ[(RК1- RК2)/( RК2+ RЭ)]
Формирователь прямоугольных импульсов.
Триггер Шмитта на операционном усилителе
Применяется ПОС с коэффициентом передачи напряжения β=UОС/UВЫХ≈R2/(RСВ+R2) (RСВ>>R2)=>β<<1
UA=UОП+β(UВЫХ-UОП) – «пороговое» напряжение
Чтобы выровнять положительные и отрицательные выходные напряжения, на выходе применен ограничитель, состоящий из двух диодов (VD2, VD3).
R3>RН MIN
После переключения значение потенциала точки А изменяется с учетом нового значения UВЫХ.
Можно выключить опорное напряжение заземлив R2.
Триггеры на тиристорах.
а) Схема триггера на одном диодном тиристоре.
R1C1-цепь запуска; R1<<R.
Условия работы(получения триггерного режима):
E<UВКЛ и (E-UВЫКЛ)/R>IВЫКЛ
Источник запускающих импульсов чередующейся полярности и большой мощности (входное сопротивление схемы низкое).
в)Схема на диодном тиристоре с раздельными входами.
При подаче запускающего отрицательного импульса на Вх2 диод VD смещается в обратном направлении, тем самым обеспечивая высокое входное сопротивление схемы во время запуска, при подаче отрицательного импульса на ВХ1 диодный тиристор VS запирается.
Недостатки: отсутствие инверсного выхода, трудности развязки входа и выхода, значительная длительность выключения.
г)схема на двух тиристорах
Запуск триггера осуществляется импульсам отрицательной полярности.
д) схема на двух тиристорах с общим входом
а) Триггер на тринисторах с раздельным запуском через импульсные трансформаторы.
б) Триггер, срабатывающий от разнополярных импульсов, поступающих на ВХ. Если подать синусоидальный сигнал, то триггер будет выполнять роль формирователя прямоугольных импульсов.
Триггер на логических элементах
Генераторы
Автоколебательный мультивибратор с коллекторно-базовыми св-ми.
Условия работоспособности:
Условия насыщения транзисторов:
VT2: В2 MIN(1/RБ2)≥1/RК2+2/RБ1
VT1: В1 MIN(1/RБ1)≥1/RК1+2/RБ2
Условия запирания:
VT1: UБ1>UПОР≈0
VT2: UБ2>UПОР≈0
Основные параметры мультивибратора.
Период автоколебаний:
T=t1+t2≈0.7C1RБ1+0.7C2RБ2 (в симметричном T≈1.4CRБ)
Заряд конденсаторов происходит с постоянной времени примерно равной RKC, для того чтобы напряжение на конденсаторе и коллекторе транзистора успели достигнуть установившегося значения, необходимо, чтобы
3RK2C1≤t2≈0,7С2RБ2
откуда:
RБ2≥4,3(С1/С2) RK2, аналогично RБ1≥4,3(С2/С1) RK1
Скважность импульсов:
Q=T/t2≈1+C1RБ1/C2RБ2 (Для симметричного мультивибратора Q=2)
Максимальная частота повторения импульсов:
FMAX=1/TMIN≈1,5fα/(ВMIN-2)
Ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями.
Условия работоспособности:
IБ2=EК/RБ2≥IБ2 НАС=EК/(B2MIN* *RК2) (тр-р VT2 в р-ме нас.)
Или RБ1≤B2MINRK2
Для закрытия VT1 RБ2≤EБ/IKБ0 MAX
tИ=0.7C2RБ2
Амплитуды импульсов на коллекторах:
UM1=EK-IKБ0RK1
UM2=(EK-IKБ0RK2)R/(R+RK2)
Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью.
U=EK-EKRЭ/(RЭ+RK2)=
=EKR K2/(RЭ+RK2)
tВОС=(3..5)С(RK1+RЭ||RБ||RK2)≈ ≈(3..5)C(RK1+RЭ)
т.к. RЭ<<RБ и RЭ<<RK2.
Мультивибраторы на интегральных схемах
Для предотвращения пробоя используют два диода.
Генераторы на логических элементах.
Одновибратор
tИ=RCln[U(1)/(E-UПОР)]
Мультивибратор
tИ=RCln[U(1)/(E-UПОР)]
f=1/2tИ
Генераторы на инвертирующем триггере Шмитта
Мультивибратор
tИ=RCln[1+(2R1/R2)]
T=2tИ при R1=R2 T=2.2RC
Одновибратор
tИ=RCln[1+R1/R2]
Время восстановления (готовность к приему следующего импульса)
tB=RCln[(2R1+R2)/ (R1+R2)]
Применение:
Мультивибраторы – генераторы прямоугольных импульсов.
Ждущие мультивибраторы – расширение импульсов, задержка сигналов на заданное время, делители частоты следования импульсов.
Сумматоры полусумматоры:
Шифраторы, дешифраторы, преоб-ли кодов
Мультиплексоры и демультиплексоры
Компараторы (сравнивают)
Счетчики
Десятичный счетчик
Делители частоты следования
Одновибратор
Нечувствительность схемы к входным импульсам в состоянии квазиравновесия
tИ=RCln[U(1)/(E-UПОР)]
Регистры
Сдвиговые
ЦАП и АЦП
Временные селекторы импульсов