3.1.1. Электронные ключи на биполярных транзисторах

Простейшая схема ключа на биполярном транзисторе приведена на рис. 3.3, а. На входе схемы включен резистор R_б, имеющий сопротивление значительно большее входного сопротивления транзистора (R_б>>h11_э), поэтому можно считать, что входная цепь ключа питается током i_б= U_вх/R_б.

 

 

Рис. 3.3

 

Будем также считать, что напряжение U_вх может принимать только два значения U_вх = U⁰ и U_вх = U¹, соответственно ток базы также принимает два значения   и  . Если  , то режим работы ключа определяется точкой А (рис. 3.3, б), если   – точкой В. Точка В определяет величину остаточного напряжения U_оcт ≡ 0,1 В, она располагается в области режима насыщения транзистора. Степень насыщения транзистора оценивается, коэффициентом насыщения К_нас =  _нас, где  _нас – минимальная величина тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения при заданной величине сопротивления R_H.

    Подключение к электронному ключу внешней нагрузки влияет на его работу. Наиболее существенно изменяется величина уровня  _вых (с уменьшением сопротивления нагрузки  _вых уменьшается). Таким образом, подключение нагрузки уменьшает уровень логического перепада UЛ =  _вых- _вых.

    Во многих случаях к выходу ключа подключается несколько нагрузок. Чем больше подключается нагрузок к выходу ключа, тем меньше уровень  _вых. Наибольшее количество ключей, аналогичных рассматриваемому, которые одновременно можно подключить к его выходу оценивается параметром, называемым коэффициентом разветвления по выходу и выражается целым положительным числом К_разв. Чем выше коэффициент К_разв, тем шире возможности использования ключа в конкретных схемах. Практически величина К_разв для различных ИС лежит в пределах от 4 до 25.

    В некоторых цифровых ИС электронные ключи имеют общую нагрузку в коллекторной цепи. Широкое распространение имеют схемы логических элементов, имеющие несколько входов. Наибольшее количество входов, которое может иметь такая схема, называется коэффициентом объединения по входу К_об. Увеличение числа входов ведет, как правило, к снижению быстродействия ключа. Практически величина К_об для различных ИС лежит в пределах от 2 до 6.

    Основной статической характеристикой ключа является передаточная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения U_вых = U_кэ от входного напряжения U_вх = U_бэ. Ее можно построить, используя выходные (рис. 3.3, б) и входные характеристики транзистора. С увеличением напряжения на входе ключа возрастает ток базы транзистора и рабочая точка (рис. 3.3, б) из положения А смещается вверх по нагрузочной линии, вследствие чего напряжение на выходе ключа уменьшается. Типичныйвид передаточной характеристики ключа приведен на рис. 3.4. Помимо управляющего сигнала на входе ключа может появиться напряжение помехи, которое либо повышает, либо понижает входное напряжение. Если на входе действует напряжение U⁰, то опасны помехи, имеющие положительную полярность. Если на входе действует напряжениеU¹, то опасны помехи, имеющие отрицательную полярность.

Помехоустойчивость принято оценивать максимально допустимыми величинами напряжений отпирающих и запирающих помех

 

Эти напряжения указаны на рис. 3.4. Пороговые напряжения  и  определяются точками С и D, в которых выполняется условие

 

                                                                                                            (3.1)

называемыми точками единичного усиления. Для оценки помехоустойчивости может быть использован так называемый коэффициент помехоустойчивости

                                                                                                     (3.2)

где

.                                                                                                      (3.3)

 

    Для повышения помехоустойчивости необходимо уменьшать ширину области переключения, равную разности   и   и увеличивать размах сигнала  . В идеальном случае выполняются условия  , тогда 

    Быстродействие ключей на биполярных транзисторах определяется инерционностью процессов, связанных с накоплением и рассасыванием избыточных зарядов, вследствие чего невозможен мгновенный переход транзистора из одного состояния в другое.

    В реальных условиях управляющие импульсы имеют форму, близкую к трапецеидальной (рис. 3.5). В этом случае быстродействие электронных ключей оценивается средним временем задержки распространения сигнала

 

                                                                                                               (3.4)

где   – время задержки распространения при переходе выходного напряжения от  к  ;   – время задержки распространения при переходе выходного напряжения от  к  .

 

 

Рис. 3.5

    Задержки  и  отсчитывают по уровню, соответствующему половине перепада U¹ – U⁰.

Наиболее эффективным методом повышения быстродействия ключей является шунтирование коллекторного перехода диодом Шоттки.