2. Транзисторный ключ – основа логических схем.

Транзисторный ключ строится обычно с включением транзистора по схеме с общим эмиттером. На рис. 2.1 приведены: схема ключа на транзисторе n-p-n типа, соотнесенные во времени осциллограммы сигнала, подаваемого на вход и сигнала, получаемого на выходе, и передаточная характеристика вход-выход с указанием режимов работы транзистора.

Если на входе уровень логического нуля (U_вх ≤ U⁰_max ), то транзистор закрыт, ток от источника питания (Е_п) через сопротивление коллектора (Rк) потечет на выход и обеспечит уровень логической единицы. При повышении напряжения на входе по достижении U⁰_гр, транзистор перейдет в активный режим (сопротивление между коллектором и эмиттером падает, и, соответственно, падает потенциал на выходе), по достижении U_вх уровня U¹_гр, транзистор перейдет из активного режима в насыщение. Сопротивление между коллектором и эмиттером станет незначительным, и ток от Е_п через Rк потечет на землю (в точку с потенциалом 0В), к которой подключен эмиттер. Таким образом, U_вых станет ≈ U_кэн (U_кэн – падение напряжения между коллектором и эмиттером, когда транзистор находится в насыщении).

Исходя из этого общего описания работы транзисторного ключа видно, что на нем реализуется логическая функция «инверсия».

Работа ключа на транзисторе p-n-p типа аналогична и отличается только тем, что напряжение уровня единицы и Еп меняют знак на противоположный.

Для анализа работы транзисторных ключей и для их построения необходимо знать режимы работы транзистора.

Существует три основных режима работы – насыщение, активный режим и отсечка.

Активный режим работы транзистора рассматриваться не будет, так как он является переходным, а в схемах со статическим кодированием важны установившиеся уровни сигналов.

Рис. 2.1. Схема ключа на транзисторе n-p-n типа и его работа.

Режим насыщения или открытое состояние транзистора. Когда транзистор находится в этом режиме, то на выходе ключа уровень «0». На рис. 2.2 показана зависимость U_вых от тока базы (I_б) на основании выходных характеристик транзистора. С увеличением U_вх, ток базы увеличивается (I_б=f(U_вх) ) от I_б1 до I_б5, и транзистор будет переходить в насыщение, а следовательно U_вых будет падать (рис. 2.2,а). Чем больше U_вх, тем в больше степень насыщения транзистора. Ток коллектора (I_к) достигнет своего максимального значения, определяемого сопротивлением, подключаемым к коллектору (Rk):

,

где U_кэн – напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора

На выходе установится уровень нуля, который будет равен U_кэн. С уменьшением Rk (с увеличением тока коллектора) транзистор выходит из насыщения (рис.2.2,б). Степень насыщения транзистора (S) определяется отношением тока, который поступает на базу (I_б), к току базы насыщения (I_бн).

≈ 1,5 – достаточное условие насыщения, принимаемое в расчетах.

Ток базы насыщения определяется из следующего неравенства:

(2.1),

где -коэффициент усиления транзистора.

Из неравенства насыщения (2.1) можно сделать вывод, что чем больше β, тем меньший ток нужно подать на базу транзистора для ввода его насыщение (рис.2.2,в).

Отсечка или закрытое состояние транзистора. При закрытом состоянии транзистора необходимо, чтобы при подаче на вход уровня нуля (U⁰), напряжение на базе (U_б) должно быть равно напряжению базы запирания (U_бзап), а в худшем случае не больше, чем пороговое напряжение базы транзистора (U_бпор). Поэтому для анализа входного каскада необходимо использовать входную характеристику транзисторов (рис. 2.3).

У транзисторов n-p-n типа (рис. 2.3) величина U_бпор  0.4В, а напряжение насыщения перехода база-эмиттер (U_бэн)  0.8В. В транзисторах p-n-p типа величина U_бпор практически равна нулю.

Из базы n-p-n транзистора при этом будет течь обратный ток коллектора (I_ко). Если во входном каскаде использовать только R1 (рис. 2.4,а), то U⁰_П будет низкой и появление на входе даже небольшого напряжения помехи может привести к открыванию транзистора. Для повышения U⁰_П в схему входного каскада ключа вводят цепочку смещения R2, -Е_б (питание базы) (рис. 2.4,б). Эта цепочка обеспечивает запирание транзистора при напряжении на входе, соответствующему уровню нуля (U⁰_вх).

Рис. 2.2. Зависимость изменения Uвых от: а) I_б=f(U_вх), б) Rк, в) β на основании выходных характеристик транзистора.

Рис.2.3.Входные характеристики транзисторов а) n-p-n и б) p-n-p типа.

Рис. 2.4. Транзисторный ключ на транзисторе n-p-n типа в закрытом состоянии: а) без цепочки смещения R2, E_б, б) с цепочкой смещения R2, E_б.