Проходные характеристики каскадов

Функциональное назначение и основные свойства отражает статическая проходная характеристика, описывающая зависимость выходной от входной величины U_вых(U_вх).

Наиболее распространенный каскад на биполярном транзисторе Т по схеме с общим эмиттером (ОЭ) содержит нагрузочный резистор R_к, подключенный к источнику электропитания V и коллектору, с которого снимается выходной сигнал (рис.3.2,а).

Рис.3.3. Каскад ОЭ на БТ (а), модель транзистора (б) и характеристика каскада (в)

Оценочный расчет проходной достаточно просто выполнить на основе глобальной модели транзистора (рис.3.2,б) с использованием кусочно-линейной аппроксимации характеристик, описываемых соотношениями

.

Уравнения каскада , позволяют рассчитать проходную характеристику по участкам при U_вх = U_бэ и U_вых = U_к. При входном напряжении ниже уровня отпирания U_вх < U* транзистор закрыт, токи I_б = 0, I_к = 0 и выходное напряжение U_вых = V.

Увеличение U_вх > U* приводит к отпиранию эмиттерного диода и переходу транзистора в нормальный активный режим работы. Ток базы на основе линеаризованной модели транзистора можно записать в виде , причем , где r_б, r_э – сопротивления базы и эмиттера, β=h₂₁ – коэффициент передачи тока. Типичные значения приведенных величин лежат в пределах: β =100…500, r_Э = 0,5…1 Ом, r_б= 30…70 Ом. Для выходного напряжения с помощью зависимости I_к = I_б несложно получить выражение , описывающее прямую линию с наклоном

.

Дальнейшее увеличение U_вх приводит к смещению коллекторного перехода в прямом направлении. Транзистор входит в режим насыщения, при котором оба перехода смещены в прямом направлении. Можно считать, что выходное напряжение не зависит от входного сигнала и имеет типичное значение U_вых = U_кэн = (0,2...0,3) В. В режиме насыщения значение коллекторного тока определяется выражением I_к = (V – U_кэн) / R_к и не зависит от тока базы. Переход с одного участка на другой происходит при входном напряжении, вычисленном из соотношения

.

На полученной проходной характеристике (рис.3.2,в) можно выделить два уровня выходного сигнала (низкий U⁰ и высокий U¹), наличие которых обусловило использование каскада в качестве двоичного логического элемента. Применение каскада для передачи сигналов без искажений требует подачи на вход постоянного напряжение смещения, обеспечивающего работу на линейном участке проходной характеристики.

Подобный схема каскад может быть реализован на МОП транзисторе по схеме с общим истоком (ОИ). Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора R_с, подключенного к источнику напряжения питания V и стоку транзистора U_вых = U_с (рис.3.3,а).

Рис 3.3. Каскад на МОП транзисторах с линейной нагрузкой (а), его характеристика (б) и каскад с нелинейной нагрузкой (в), его характеристика (г)

Проходную характеристику можно получить по участкам на основе кусочной модели МОП транзистора:

• при ;

• при

• при .

Типичные значения параметров транзистора с индуцированным каналом: k₀ = (0,1…1) мА/В², k₁ = (0,01…0,03) мА/В², U₀ = (2...4) В,

При нулевом токе затвора U_вх = U_з и уравнение каскада имеет вид

Если уровень входного сигнала ниже напряжения отсечки U_вх< U₀, то ток I_с = 0 и выходное напряжение неизменно U_вых = U_з =V_с. Увеличение входного напряжения U_вх > U₀ приводит к появлению тока стока и изменению выходного напряжения в соответствии с выражением

.

При рабочая точка переходит на следующий участок характеристики и описывается выражением

Полученная характеристика подобна характеристике каскада ОЭ на БТ и выходное напряжение принимает два значения, которые можно интерпретировать как нулевой U ⁰ и единичный U ¹ уровни (рис.3.3,б). Значение U ⁰ , вычисленное из последнего выражения при U_вх = U ¹ будет снижаться при увеличении нагрузки R_c (приемлемым считают сопротивление R_c ≈ 20 R_к , где R_к – сопротивление канала, лежащее в пределах 1…5 кОм). Такой резистор занимает площадь примерно в 30 раз превышающую площадь транзистора, и поэтому в качестве нагрузки используют транзистор Т_н с индуцированным (или встроенным) каналом (рис.3.3,в).

При работе нагрузочного транзистора на пологом участке выходной характеристики он представляет собой нелинейную нагрузку. Характер зависимости U_вых(U_вх) (рис.3.3,г) не изменится по сравнению с линейной нагрузкой, но параметры каскада будут отличаться. На спадающем участке характеристика получается линейной с наклоном , где k_0н – параметр нагрузочного транзистора. Нулевой уровень напряжения также зависит от отношения k₀ / k_0н .

В цифровых элементах широко распространена схема на взаимодополняющих транзисторах T_n и T_p (рис.3.4,а) c каналами n- и p- типа (комплеметарная МОП структура), которая обеспечивает полную симметрию схемы относительно входного и выходного сигналов. Проходная характеристика также может быть построена по участкам с использованием кусочных моделей транзисторов.

Рис.3.4. КМОП структура (а) и проходная характеристика (б)

При малом входном сигнале (U_вх < U_оn) закрыт транзистор T_n и его ток стока I_сn = 0, что обеспечивает высокий уровень выходного сигнала U_вых =V. Соответственно, при больших значениях входного напряжения (U_вх > V – U_оp) закрыт транзистор T_p и его ток стока I_сp= 0, что приводит к низкому уровню выходного напряжения U_вых = 0. На переходных участках один транзистор работает на крутом участке характеристик, а другой на пологом. При напряжении U_вх ≈ V / 2 оба транзистора работают на пологих участках и на проходной характеристике наблюдается весьма резкое изменение (скачок) выходного напряжения. Для уточнения характера зависимости необходимо учесть конечный наклон выходных характеристик транзисторов.

Полученная проходная характеристика (рис.3.4,б) имеет симметричный вид. Отсутствие потребления каскадом тока в установившихся (статических) режимах нулевого U ⁰ = 0 и единичного U ¹ = V логических уровней относят к основным достоинствам схемы.

К каскадам, полученным в результате совершенствования схемотехники элементов интегральной технологии, относится схема на биполярном транзисторе с инжекционным питанием. Ток транзистора задается источником, подключенным к отдельному электроду (инжектору), который соединен с областью полупроводника, имеющего одинаковый с базой тип электропроводности (рис.3.5,а).

Рис. 3.5. Структура транзистора с инжектором (а), эквивалентная схема (б), каскадное соединение (в) и проходная характеристика (г)

Общая область эмиттеров для множества транзисторов при их вертикальном расположении и как следствие отсутствие изолирующих областей между каскадами позволяет получить большую плотность размещения элементов на поверхности кристалла. Высокая степень интеграции и малая потребляемая мощность при низком напряжении электропитания обусловили их использование в экономичных цифровых БИС.

Эквивалентную схему представленной структуры можно изобразить в виде многоколлекторного транзистора Т с подключенным к его выводам каскадом по схеме с общей базой на транзисторе Т_и типа p₁ - n - p. Область эмиттера Т_и соединена с выводом инжектора, подключенного к источнику электропитания V_и (рис.3.5,б). Если приложенное напряжение превышает уровень отпирания перехода V_и > U*, то происходит инжекция дырок из области p₁ в область n. Дальнейший путь носителей зависит от потенциала базы транзистора Т. При U_б > U* переход база - эмиттер открыт и возникает ток I_б , а при U_б < U* переход база - эмиттер закрыт и заряд дырок должен быть скомпенсирован зарядом доставленных из внешней цепи электронов. Термин «инжекционное питание» означает, что электрическая энергия, необходимая для преобразования сигналов, вводится инжекцией носителей из области p₁ за счет источника сравнительно низкого напряжения V_и ≈ 1 В.

Перераспределение тока инжектора между различными ветвями цепи обеспечивается при работе схемы в цепочке одинаковых каскадов (рис.3.5,в). Для удобства анализа показаны только два транзистора цепочки: исследуемый Т и предшествующий Т_з. Общий для всей цепочки инжектирующий транзистор представлен в виде источника тока I_и . Если на входе Т_з действует сигнал высокого уровня U ¹ > U* , то он находится в состоянии насыщения (открыты оба перехода) и ток источника I_и замыкается по цепи коллектор – эмиттер Т_з. Транзистор Т находится в запертом состоянии вследствие выполнения условия U_кэн < U*. При подаче сигнала, запирающего Т_з уменьшится его коллекторный ток, что приведет к повышению потенциала коллектора и соединенной с ним базы Т. При достижении значения U_б = U* базовый переход откроется, и токи I_б и I_к будут быстро нарастать. Следовательно, произойдет переключение тока инжектора из коллекторной цепи Т_з в базовую цепь Т. В зависимости от уровня внешнего сигнала изменяются напряжения на входе и выходе транзистора Т, формируя проходную характеристику каскада (рис.3.5,г). Каскад может использоваться в качестве двоичного логического элемента с ориентировочными уровнями напряжений U ⁰ = 0,1 В и U ¹ = 0,6 В.