8. Простейшие переключающие схемы

8.1. Транзисторный ключ

В линейных схемах потенциал коллектора транзистора устанавливается таким, чтобы его величина находилась в пределах между V⁺ и U_CEнас. При этом усиление сигнала осуществляется в окрестности установленной рабочей точки. Отличительной особенностью линейных схем является то, что величина входного сигнала остается настолько малой, что выходное напряжение линейно зависит от входного и не выходит за пределы верхней и нижней границ линейного участка характеристики, так как в противном случае появились бы заметные искажения сигнала.. В отличие от линейных схем цифровые схемы работают только в двух характерных рабочих состояниях. Эти состояния характеризуются тем, что выходное напряжение может быть либо больше некоторого заданного напряжения U_H, либо меньше заданного напряжения U_L, причем U_L<U_H. Если выходное напряжение превышает U_H, то говорят, что схема находится в состоянии H (high-высокий), если же оно меньше чем U_L говорят, что она находится в состоянии L (low-низкий).

Величины уровней U_H и U_L зависят только от используемой схемотехники. Чтобы можно было однозначно интерпретировать выходной сигнал, уровни, лежащие между значениями U_H и U_L, считаются запрещенными. Схемотехнические особенности, определяемые этими требованиями, рассмотрим на примере транзисторного инвертора, представленного на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Транзисторный ключ.

В схеме должны выполняться следующие условия:

Эти условия должны выполняться даже для самого неблагоприятного случая, т.е. U_a не должно быть меньше, чем U_H при U_e = U_L, и U_a не должно быть больше, чем U_L при U_e = U_H. Такие условия могут быть выполнены соответствующим выбором уровней U_H и U_L, а также величин сопротивлений R_C и R_B. Как это осуществляется, можно показать на следующем числовом примере.

Если в схеме, изображенной на рис. 8.1, транзистор заперт, то при отсутствии нагрузки выходное напряжение будет равно V⁺. При минимальном нагрузочном резисторе Rv = Rc выходное напряжение U_a будет равно ¹/₂ V⁺. Таким образом, ¹/₂ V⁺ является минимальным выходным напряжением схемы в состоянии H. Для гарантированного различения состояний примем U_H < ¹/₂V⁺; пусть, например, U_H = 1,5 В при V⁺ = 5 В. Согласно сформулированным выше условиям, при U_a U_H входное напряжение должно соответствовать уровню L. Под уровнем L понимается такое наибольшее входное напряжение, при котором транзистор еще остается надежно запертым. Для кремниевого транзистора, находящегося при комнатной температуре, за уровень L может быть принято напряжение 0,4 В. Теперь, когда уровни U_L и U_H выбраны, необходимо рассчитать параметры схемы таким образом, чтобы при U_e = U_H выходное напряжение удовлетворяло условию U_LU_a . Схема должна быть рассчитана таким образом, чтобы это требование выполнялось и для самого неблагоприятного случая, т.е. даже при U_e = U_H = 1,5В выходное напряжение оставалось бы меньше, чем U_L = 0,4 В. Коллекторное сопротивление Rc выбирается такой величины, чтобы время переключения транзистора было достаточно малым, а величина коллекторного тока не была слишком велика. Выберем, например, Rc = 5 кОм. Рассчитаем далее величину R_B так, чтобы при входном напряжении U_e = 1,5 В выходное напряжение не превышало величины U_L = 0,4 В Для этого ток коллектора должен составлять I_C=V⁺/R_C = 1 мА Используемые в таких схемах транзисторы должны обладать коэффициентом усиления по току  100 Необходимый ток базы составит тогда I_Bмин = I_C /В =10 мкА Для надежного насыщения транзистора выберем I_B = 100 мкА, тес десятикратным запасом Тогда для величины R_B получим

Передаточная характеристика схемы с такими параметрами представлена на рис 8.2.

Рис 8.2 Передаточная характеристика ключа при R_v = R_C (S_L и S_H величины запаса помехоустойчивости для уровней L и H соответственно)

При U_e = U_L = 0,4 В выходное напряжение схемы U_a составляет 2,5 В Оно превышает на 1 В минимально необходимое значение U_H = 1,5 В Назовем величину S_H = U_a - U_H при U_e = U_L запасом помехоустойчивости для уровня Н. В рассматриваемом примере он составляет 1 В. Аналогично определяется запас помехоустойчивости для уровня L как величина S_L = U_L – U_a при U_e = U_H. В схеме на рис 8.1 запас помехоустойчивости для уровня L равен разности U_L и напряжения коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения U_CEнас  0,2 В Таким образом, эта величина составляет S_L= 0,4 В - 0,2 В = 0,2 В Запас помехоустойчивости фактически является мерой эксплуатационной надежности схемы Его обобщенное определение можно записать в следующем виде:

Если необходимо повысить запас помехоустойчивости для уровня L, то следует увеличить величину U_L, так как напряжение U_a(U_e = U_H) U_CEнас практически нельзя уменьшать. Для осуществления этого в базовую цепь транзистора включают, как показано на рис 8 3,а, один или несколько диодов Резистор R^ служит для замыкания цепи обратного тока перехода коллектор-база, что обеспечивает более надежное запирание транзистора Другой способ повышения ul состоит в том, что в базовой цепи устанавливается обычный делитель напряжения (рис 8 3,6 или в) Указанные меры являются обязательными при использовании германиевых транзисторов, так как для них напряжение база-эмиттер открытого транзистора в некоторых случаях может оказаться ниже U_Ceнас.

Рис 8.3 Методы повышения запаса помехоустойчивости для уровня L