Глава 8. Решающие схемы на операционных усилителях Уровень 2 Коэффициент передачи

Допущения:

. Очень мал Такой режим определяется малыми токами смещения . – входной ток смещения, необходимый для работы входного каскада ОУ.

, т.е. ОУ не имеет входного тока.

Весь входной ток схемы протекает как через , так и через

Сгруппируем члены относительно

Относительно

Коэффициент передачи с учётом знака относительно знака

При .

, есть входной ток и . Часть тока ответвляется через входное сопротивление ОУ

Уравнение для входной цепи:

Уравнение выходной цепи:

Для выходного тока ОУ:

Запишем уравнение для с учётом значения из уравнения для входного тока ОУ:

или

В общем случае ,

Повторитель напряжения

мал,

поэтому .

Глава 10. Решающие схемы на операционных усилителях Уровень 2 транзисторный ключ

Является одним из основных элементов импульсных схем.

Классификация:

1. Механические

2. Электромеханические

3. Электронные: диодные, транзисторные, ламповые

Два состояния:

Выключено → транзистор закрыт

Включено → транзистор открыт → ключ замкнут

Ключ разомкнут, : , .

Ключ замкнут, : , .

Управляют транзисторным ключом, подавая на вход . ( )

.

→ Транзистор закрыт,

→ Транзистор открыт,

R_б – ограничивает I_б

R_к – коллекторная нагрузка

E_к – источник коллекторного напряжения

А .

Б.

- порог отпирания U* (для кремниевого транзистора достаточно высокий: ≈0,4-0,6 В).

При изменении базового тока I_б от -I_к0 до I_б2 ↑ рабочая точка перемещается вдоль нагрузочной прямой при данном R_к , определяя в каждый момент i_к , U_кэ , и проходит все три области: режим отсечки, активный режим, насыщения.

1. Режим отсечки (точка а)

Транзистор закрыт: U* - напряжение отпирания;

; ;

U_б определяют при проходе от базы до эмиттера по внешней базовой цепи:

,

U₀ – остаточное напряжение на аналогичном ключе (предшествующий каскад).

Условие запирания транзистора:

(1)

для кремниевого транзистора.

(1) должно выполняться при максимальной температуре, когда U_п минимально, а I_к0 максимально.

(1а)

2. Активный режим

Находится в активном режиме в течение короткого времени (переходной процесс) от А к Б.

(2)

;

3. Режим насыщения

Транзистор открыт и насыщен.

I_бн в точке Б на границе насыщения, I_бн еще линейно связан с i_к .

i_к ограничен R_к .

Избыточный ток базы обуславливает смещение коллекторного перехода в прямом направлении. (инверсия ).

Глубина насыщения характеризуется коэффициентом насыщения или степенью насыщения:

где - превышение над ,  - фиктивный коллекторный ток, S - коэффициент насыщения, N - степень насыщения.

Передаточная характеристика транзисторного ключа

П редставляет собой зависимость .

А-С – разомкнутое состояние ключа:

, транзистор закрыт.

С-Д – активный режим. Начало при .

Д-Б – насыщения.

U₀ и U₁ надо выбирать так, чтобы транзистор находился либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Помехи

Статические – медленные.

Закрытый транзистор может открыться .

Открытый транзистор может закрыться .

не будем учитывать, тогда должно быть: .

Влияние R_н на работу ключа

1 ) Нагрузка R_н1 (называется незаземленная нагрузка)

, нагрузочная характеристика смещается вверх: .

i_б – задает внешний источник. Он неизменен.

S↓ → транзистор может перейти в активный режим (Б’).

R_н можно уменьшать до тех пор, пока S≥1 (до границы зоны насыщения). На границе S=1 R_н минимально.

2) Нагрузка R_н2 (называется заземленная нагрузка)

Характеризуется распределением E_к на R_к и R_н2 .

R_н2 не влияет на I_кн .

R_{н min} определяется U_{вых 2 min} (3).

Переходные процессы при переключении

Переходные процессы в ключе обусловлены как инерционными свойствами самого транзистора, так и внешними цепями С_вх , С_н .

(1) Исходное состояние t < t₁

U_вх – меандр. U_вх < 0.

Транзистор закрыт.U_вх < U_п .

Рабочая точка А.

( 2) Включение ключа t₁ ≤ t < t₃

U_вх изменяется скачком от до .

2а – задержки включения.

2б – формирование фронта.

t = t₁ – скачок.

- ток во внешней цепи базы.

U_б = мало, i_к = I_к0 , U_к ≈ Е_к .

t₁ < t < t₂ – задержки включения до начала нарастания i_к .

Транзистор находится в режиме отсечки (А).

i_б заряд С_вх.

где .

С_вх шунтирует переход база – эмиттер. i_б характеризуется зарядным током С_вх .

Рабочая точка А → в точку С (передаточная характеристика).

Задержка заканчивается, когда U_б = U_п .

Обычно C_вх = С_тр , С_тр = С_э + С_к .

С_тр ≈ 2 пФ; R_б = 2 кОм;

τ_б = 4 нс; ;

t_зад ≈ 0,25 τ_б ≈ 1 нс.

t_зад мало. Его часто не учитывают.

2б t₂ < t < t₃ – нарастание i_к .Формирование фронта.

Активный режим

Инерционные свойства характеризуются постоянной τ_экв:

, τ – время жизни, τ = 100 нс. При наличии примеси золота τ = 10 нс.

С_к = 0,5 пФ, β = 100, R_к = 2 кОм, τ_экв = 100 нс.

Для транзисторов, легированных золотом, определяющей является определяющая, обусловленная С_к.

В примерах будем считать τ_экв = 150 нс.

t → ∞, (фиктивный ток).

i_k < I_ф, т.к. при i_k = I_кн транзистор переходит в зону насыщения.

Пример:

β = 100:

т.е. чем больше I_б, тем быстрее переходной процесс.

(3) Накопление заряда t₃ < t < t₄

Режим насыщения. i_k = I_кн = const

Заряд базы в режиме насыщения:

Заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном слоях.

На границе насыщения (активного режима), т.е. в начальный этап:

,

где t_пр – время пролета, являющееся обобщением времени диффузии при наличии ускоряющего поля в базе.

В конце этапа:

,

где τ_н – среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях.

Соотношение между Q_гр и Q⁺ зависит от соотношения I_кн и I_б⁺ , т.е. от степени насыщения.

t_пр << τ_н

I_кн соизмерим с I_б⁺

Q_гр << Q⁺

Токи в данном этапе не меняются, заряд накапливается лишь благодаря термогенерации носителей:

(4) Выключение транзистора t ≥ t₄

(4а) – скачок t = t₄

(4б) – задержка выключения (рассасывание избыточного заряда)

(4в) – спад импульса (формирование среза)

(4а) Входной сигнал меняет полярность: . Возникает обратный ток базы:

(4б) Коллекторный переход в прямом направлении. Накопленный заряд Q⁺ не может измениться мгновенно. До Q_гр транзистор находится в режиме насыщения.

может быть больше .

Задержка до момента Q⁺ = Q_гр по закону экспоненты с постоянной τ_н:

(4в) Формирование среза

Q_изб → 0

Коллекторный переход смещается в обратном направлении:

i_k от I_кн → 0

Изменение коллекторного U_k тока идет относительно быстро.

Заряд С_к через R_к.

τ_к = С_к R_к

Если С_н ≠ 0, то τ_к = (С_к + С_н)R_к.

Влияние изменения параметров схемы транзисторного ключа на его работу (параметры выходного импульса)