Краткие теоретические сведения

При подготовке к выполнению лабораторной работы и ее защите необходимо изучить следующие темы курса:

- ключевой режим работы биполярного и полевого транзисторов;

- ключи на биполярных транзисторах;

- ключи на полевых транзисторах;

Транзисторные ключи служат для коммутации цепей нагрузки под воздействием управляющих сигналов. Во включенном состоянии ток протекает через транзистор, падение наряжения на нем мини­мально и ток через нагрузку отсутствует. В выключенном состоя­нии почти весь ток протекает через нагрузку, так как сопротив­ление транзистора при этом близко к бесконечности. Во вклю­ченном состоянии транзистор находится в режиме насыщения, а в выключенном - в режиме отсечки и лишь при переключении он проходит через активный режим..

Для надежного запирания кремниевого n-p-n-транзистора на его базе должно быть положительное напряжение не превышающее нескольких десятых долей вольта. Построив нагрузочную прямую, можно определить, что выходное напряжение при этом на беско­нечной нагрузке будет равно U¹ = Eк - I_К0Rк. Для кремниевого транзистора тепловой ток коллектора стремится к нулю, поэтому можно считать, что U1 = Eк.

Рис.6.6. Статические параметры ключа на биполярном транзисторе

Для отпирания транзистора на его базу необходимо подать положительное напряжение, которое вызовет протекание базового тока. Чтобы транзистор перешел в режим насыщения, этот ток должен превышать значение Iб.гр = Eк/Rкh_21э(так как максимальный ток коллектора опреде­ляется как Iк = Eк/Rк). Выходное напряжение U⁰при этом будет определяться точкой пересечения нагрузочной прямой с восходящим участком выходных характеристик транзистора. Выходное напряжение не будет зависеть от величины базового тока, однако малейшие изменения режима, смена транзистора, приводят к изменению выходных параметров ключа. Поэтому ток базы несколько увеличивают (в 1,5 - 3 раза) по сравнению с граничным значением. Это превышение называется коэффициентом насыщения s = Iб/Iб.г. Такой ключ называют насыщенным клю­чом. Его схема показана на рис.6.4а. Ток базы в этой схеме определяется резистором Rг и напряжением входного сигнала. Источник смещения Uсм и Rб введены в эту схему для исследования и в реальных схемах не присутствуют, ток базы в данной схеме будет зависеть и от этих параметров.

При воздействии на вход ключа импульса с крутыми фронта­ми транзистор переключается не мгновенно, а за конечные про­межутки времени, определяемые переходными процессами в тран­зисторе. Это находит отражение в искажении формы выходного импульса, как показано на рис.6.3. Время спада tсп связано с инерционностью процесса изменения концентрации носителей в базе и зарядом барьерной емкости коллекторного перехода. Оно зависит от инерционных свойств транзистора через постоянную времени A и может быть найдено как

s

tсп = A ln ------ ,

s-1

то есть с ростом коэффициента насыщения время спада уменьшает­ся. Рассасывание связано с уменьшением избыточного объемного заряда, накопленного в базе транзистора. Время рассасывания пропорционально постоянной времени B, определяемой временем жизни носителей, и коэффициенту насыщения

tрас = B ln s .

Время нарастания так же, как и время спада, связано с инер­ционностью процесса изменения концентрации носителей в базе. Оно пропорционально той же постоянной времени A

tнар = 2,3 A .

Таким образом, нарастание коэффициента насыщения приводит к уменьшению t¹⁰зд.р и к увеличению t⁰¹зд.р. Чтобы найти компро­мисс, необходимо включать транзистор с большим коэффициентом насыщения, а выключать его вообще в активном режиме. Это можно осуществить, видоизменив схему, как показано на рис.6.4,б. Та­кая схема называется схемой с форсирующей емкостью. Идея заклю­чается в том, что при включении транзистора ток заряда емкости Cф закорачивает резистор Rф, ток базы и коэффициент насыщения возрастают. После заряда емкости (когда транзистор уже открыл­ся), ток базы будет определяться суммой резисторов Rг и Rф и транзистор перейдет на границу режима насыщения, что уменьшит время рассасывания. Другим методом уменьшения коэффициента насыщения после включения транзистора является применение нелинейной отрицательной обратной связи, как показано на рис.6.4,в. При открывании транзистора диод заперт (напряжение на коллекторе транзистора больше, чем входное напряжение) и транзистор включатся при высоком коэффициенте насыщения. После появления коллекторного тока потенциал на коллекторе снижается и диод открывается. При этом часть коллекторного тока ( тока через резистор Rк) ответвляется в цепь базы и снижает ток базы, то есть после включения транзистора он выходит на границу режи­ма насыщения. Еще более простая схема получается если парал­лельно коллекторному переходу подключить диод с барьером Шотки (выпрямляющий контакт металл-полупроводник). Этот диод откры­вается при напряжении порядка 0,4 В, а кремниевому p-n-переходу требуется для открывания 0,5 - 0,6 В. В результате транзистор вообще не переходит в режим насыщения.

Широкое применение находят также ключи на полевых транзи­сторах. Различают ключи с резистивной нагрузкой, с динамической (транзисторной) нагрузкой и комплементарные ключи. В ключах с резисторной нагрузкой (рис.6.5,а и рис.6.5,б) в выключенном состоянии выходное напряжение практически равно напряжению питания, а во включенном на них падает небольшое остаточное напряжение. Для уменьшения этого напряжения используют вместо резистора канал другого транзистора. При этом затвор может быть соединен с истоком (рис.6.5,в) или стоком (рис.6.5,г). Выходное напряжение на закрытом транзисторе остается таким же, а вот остаточное напряжение существенно снижается.

И наконец, наиболее популярная схема ключа на МОП транзи­сторах с индуцированным каналом - ключ на комплементарной паре, то есть на транзисторах с разными типами каналов (рис.6.5,д). При подаче нулевого напряжения на вход ключа между затвором и истоком верхнего транзистора оказывается приложенным напряжение источника питания и в нем возникает канал. В нижнем транзисторе при нулевом напряжении на затворе канал не возникает, ток через транзисторы не течет, а на выходе напряжение равно напряжению питания. Если на вход подать сигнал, равный напряжению источни­ка питания (напряжение с выхода такого же ключа), то в нижнем транзисторе возникнет канал, а вот в верхнем его не будет, так как между затвором и истоком этого транзистора оказывается нулевое напряжение. Выходной сигнал близок к нулевому уровню, а ток через транзисторы вновь не протекает. Бросок тока возможен только в момент переключения, но если мы выберем напряжение питания Eк < 2Uпор, то и этого не будет. Схема тока не потреб­ляет ни в одном из своих состояний.

Однако за все приходится платить и в смысле быстродейст­вия эта схема оставляет желать много лучшего. Вообще все схемы ключей на полевых транзисторах имеют быстродействие хуже, чем ключи на биполярных транзисторах. Оно определяется, в первую очередь, паразитными емкостями самого транзистора и нагрузки. А так как сопротивления полевого транзистора достаточно велики, то и постоянные времени, ухудшающие быстродействие, будут также большими.

В настоящее время в связи с успехами в области производства полоупроводниковых приборов этот недостаток комплементарных ключей удалось преодолеть за счет изготовления транзисторов со сверхмалыми размерами. В результате большинство современных цифровых схем выполняется на базе таких ключей.