книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

Ток базы г'б открытого транзистора Т3 примерно (без учета /,*) равен току, протекающему через коллекторное сопротивление RK предыдущего закрытого транзистора Т2, т. е.

плитуда перепада напряжения на коллекторах и базах транзисто­

S)

Выбор параметров схемы можно вести в следующем порядке. После выбора транзистора и относительно небольшого напряже­ ния Ец (обычно Ек = 1 4- 6 В) выбирают коллекторный ток і,< на­ сыщенного транзистора так, чтобы остаточное коллекторное на­ пряжение |«,ш| было малым (порядка сотых долей вольта). При этом коэффициент усиления ß должен быть еще достаточно боль­ шим; естественно, выбранное значение тока не должно превосхо­ дить допустимое. Зная ік из ф-лы (2.87), находим RK, определяем по статическим характеристикам транзистора (рис. 2.346) значе­ ние напряжения ибн на базе насыщенного транзистора и далее находим Um — I Ыбп| — | «бз| •

Ключевые схемы с непосредственной связью работают в ре­ жиме глубокого насыщения открытых транзисторов. Однако это существенно не сказывается на быстродействии схем, так как про­ цесс рассасывания заряда в базе закрывающегося транзистора происходит при большом обратном токе базы.

J 20

Действительно, пусть в исходном состоянии транзистор Т\ за­ крыт, транзистор Т2 насыщен и пусть затем отпирается транзистор Т\\ напряжение на его коллекторе uK\ — ua2 остается благодаря заряду, накопленному в базе Т2, в течение некоторого времени постоянным и равным «оигПоэтому транзистор Т\ работает в это время в активном режиме, его коллекторный ток гКІ значительно

у разных транзисторов при одном и том же значении напряжения Ыбп могут существенно отличаться друг от друга токи баз і'бН; это приводит к уменьшению быстродействия и ухудшению нагрузоч­ ной способности схем с непосредственными связями (см. разд. 2.6).

Для установления тока базы насыщенного транзистора на определенном невысоком уровне в цепь связи иногда включаюг дополнительный резистор R, показанный "на рис. 2.34а пунктиром. В этом случае схема совпадает со схемой резистивной связи клю­ чей ОЭ, если в последней отсутствует цепь смещения (£5, £ б).. Поэтому условия нормального функционирования схемы непосред­ ственной связи с учетом резисторов связи R получаются как ча.- стный случай соответствующих условий для схемы резистивной: связи ключей.

2.4.4.НАСЫЩЕННЫЕ КЛЮЧИ С ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ

Схема ключей ОЭ с емкостной связью приведена на рис. 2.35.

становится практически равным напряжению ис (0) . Конденсатор С

121

начинает разряжаться через малые сопротивления участка база—■ эмиттер Т2 и сопротивление насыщенного транзистора Т\. Благодаря большому обратному току базы транзистор Т2 быстро запирается. Так как в исходном статическом состоянии заряд в базе Т2 пример­

но равен: Q (0) = Is тр2 « Екх&2 /Яб, то за время запирания транзи­ стора Т2 напряжение на конденсаторе С уменьшается на величину А«с — Q (0)/С « EK%£2 /RC>C. После запирания Т2 конденсатор С разряжается через резистор R^ и насыщенный транзистор 7Y, на­ пряжение ис убывает при этом относительно медленно, со скоро­ стью, определимой постоянной времени CRQ, и стремится к уровню

ченного интервала времени. Следовательно, для нормального функционирования ключевой схемы длительность іу действия управляющего уровня напряжения ивк, отпирающего транзистор Т1, не должна превосходить максимальное значение интервала /заіф, в течение которого транзистор Т2 закрыт.

перепада, то из последних соотношений можно определить тре­

исходного статического состояния tB0C ~ ЗС£кі. Заметим, что при значительных величинах іу приходится выбирать емкость С боль­ шой, что приводит к большой длительности восстановления схемы. Практически емкостная связь применяется лишь в импульсных ключевых схемах.

122

2.4.5.НАСЫЩЕННЫЕ КЛЮЧИ С ДИОДНОЙ СВЯЗЬЮ

Всхеме, приведенной на рис. 2.3ба, связь между ключами на транзисторах Т\ и Т2 осуществляется при помощи кремниевого

диода Д ом. Статическая характеристика этого диода показана на рис. 2.366; при токе ілсм, превышающем всего несколько десятков микроампер, диод Дсм открыт, напряжение на нем практически постоянно п равно: ыдсм~ Ucм, причем і/см — порядка 0,6-f-0,8 В.

Очевидно, что в рассматриваемой схеме независимо от состоя­ ний ключей диод Дсм всегда открыт и при этом «62 — «ю + ^см, т. е. диод Дсм создает постоянное смещение уровня «62 относи­ тельно пк1; поэтому его и называют смещающим.

ток /б « (Ек — и Сы— Ибм2)/^кі, который и обеспечивает насыще­

же роль, что и заряженный конденсатор в цепях емкостной или резистивно-емкостной связи. Действительно, когда транзистор Д

спечивает значительный обратный ток базы Т2, вследствие чего транзистор Т2 быстро выключается. Важно лишь, чтобы в каче­ стве Дсм использовался диод с накоплением заряда (ДНЗ) с тем, чтобы время рассасывания заряда в диодё было не меньше дли­ тельности включения транзистора Т2.

Диодная связь ключей широко применяется в интегральных схемах, в которых обычно используются кремниевые транзисторы, обладающие «правой» характеристикой: транзистор закрыт и при небольшом прямом напряжении на базе (при и5 < ІІП0р, где Uпор «*0,6В), поэтому здесь источник Е5 можно исключить (£б = 0),

123

так как напряжения смещения, создаваемого на одном или двух последовательно соединенных диодах Д см, достаточно (при неболь­ ших значениях Re) для надежного запирания транзистора Т2.

2.4.6. НАСЫЩЕННЫЕ КЛЮЧИ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ

Ключи ОЭ с трансформаторным выходом

Для создания цепей связи часто используются импульсные транс­ форматоры; вначале рассмотрим статический и динамический ре­ жимы в транзисторном ключе с трансформаторным выходом.

Схема ключа ОЭ с трансформаторным выходом и соответ­

(рис. 2.37ß). Для ускорения процессов переключения транзистора можно использовать ускоряющий конденсатор С; при этом ток базы і'б имеет выбросы, показанные на рисунке пунктиром. С от­ пиранием транзистора и ростом коллекторного тока растет напря­ жение «1 на трансформаторе и соответственно падает по величине напряжение ик на коллекторе: |цк| = Дк — Щ. В момент tx на­ пряжение «к столь мало, что напряжение ииб на переходе коллек­ тор— база становится положительным и транзистор переходит в режим насыщения.

Определение длительности фронта здесь сложнее, чем в схеме с резистивной нагрузкой, так как надо учесть влияние не только емкости коллектора и нагрузки, но и паразитных параметров трансформатора — индуктивности рассеяния Ls и емкости Ст (межвитковой, межобмоточной и т. д.); однако в первом прибли­ жении можно определить длительность фронта по формулам для

тивление транзистора ОЭ. Такое представление таЭкв обусловлено тем, что в течение короткого промежутка времени t$ формирова­ ния фронта ток намагничивания трансформатора / практически остается равным нулю и коллекторная нагрузка определяется практически сопротивлением R», шунтируемым емкостью Со.

В режиме насыщения ток коллектора не остается постоянным.

124

где uxlR'u = i'n = inn — пересчитанный к первичной обмотке ток на­

dj

грузки. Так как ux= L dt • и, с другой стороны, Щ= Ек—I Ы|Ш = = const, то ток намагничивания / возрастает по линейному закону::

причем для упрощения записи пренебрегаем величиной |«кп| по сравнению с Ек.

режим работы соответствовал бы границе насыщения, последнее условие должно быть выполнено для наихудшего случая, т. е. при

(и при этом продолжается рассасывание избыточного заряда в базе) до тех пор, пока транзистор не выйдет из режима насыще­ ния; задержка в выключении транзистора определяется превыше­

нием величины ß/б над реальным коллекторным током /к2 в мо­ мент t = t2 = tn ихЭто превышение может быть обусловлено раз­

За счет роста коллекторного тока уровень граничного заряда из-

меняется на величину га- ^ - At и за счет обратного тока базы

(будем его считать постоянными равным /б) удаляется заряд і ЦАі .

126

£

Следовательно, та (ß/^ — / к2) = | І°б| At + ха-£- At,

(2.91)

Важно отметить, что с уменьшением индуктивности намагни­ чивания L уменьшается задержка At в выключении транзистора; это очевидно, так как при уменьшении L возрастает скорость EJL роста тока намагничивания и поэтому за время tnBX величина граничного заряда увеличивается в большей степени. Вместе с тем уменьшение L кладет предел /пвх, так как при малом значении L

ный ток падает почти до нуля и транзистор запирается. Эквива­ лентная схема коллекторной цепи после запирания транзистора имеет вид, показанный на рис. 2.346, где Со — эквивалентная па­ разитная емкость.

Процесс спада тока намагничивания / имеет апериодический или колебательный характер в зависимости от соотношения пара­ метров контура Со, L, R. Как видно на рис. 2.37ß, напряжение их во время апериодического процесса (или в течение первого полупериода колебательного процесса) имеет отрицательную поляр­ ность, так как ток j проходит через С0 сверху вниз. Поэтому на­ пряжение на коллекторе ик = —Ек -\~их имеет выброс и может до­ стигнуть уровня, значительно превышающего допустимый СКДОп-

Для защиты транзистора от пробоя необходимо уменьшить ве­ личину выброса, и с этой целью можно включить шунтирующую цепочку Д, Rm, показанную на рис. 2.37а, б пунктиром; при форми­ ровании импульса диод заперт (так как их> 0) и шунтирующая цепочка роли не играет; в режиме восстановления, при запертом

амплитуда выброса напряжения на коллекторе [см. ф-лу (1.39)]

Cmo = 0,/4/макс/?шэкв. где /маис — намагничивающий ток в момент запирания транзистора; практически можно считать /макс равным току намагничивания в момент ^ = ^івх завершения входного им­ пульса.

Длительность выброса [ср. ф-лу (1.40)]

to ~ 2я ]/ LCo ~ 3L/R,

Заметим, что площади обратного выброса и импульса их(t) равны (заштрихованные участки на рис. 2.37в), так как постоянная

127

составляющая напряжения на обмотках трансформатора должна быть равна нулю; поэтому при уменьшении амплитуды выброса увеличивается его длительность.

Выбор параметров производится в следующем порядке.

1. Выбор транзистора и напряжения £,< аналогичен выбору в ключе с рези­

кой, чтобы максимальный коллекторный ток і'„ Ыцко в импульсе не превышал допустимого значения:

буется трудно реализуемый большой обратный ток /g. Тогда следует умень­

шить L. Но при этом возрастает /„ мпнс, и условие (2.93) может быть нарушено. В этом случае рекомендуется включить в цепь коллектора последовательно с первичной обмоткой резистор RK, ограничивающий коллекторный ток уровнем /к доп-

Ключи ОЭ с трансформаторным входом

Часто управляющие сигналы подаются на вход ключевого элемента при помощи импульсного трансформатора (рис. 2.38). При этом удается получить значительно большую крутизну нара­ стания управляющего сигнала на базе транзистора, чем при рези­ стивно-емкостной связи, и тем самым ускорить процессы переклю­ чения.

Параметры трансформатора можно выбрать следующим об­ разом. Как было показано в разд. 1.7, при передаче плоской части входного импульса имеет место относительный спад вершины на выходе трансформатора (т. е. на базе транзистора):

128

Из ф-лы (2.94) следует L — -|- RtH. Если допустимый спад вер­

шины меньше 10% (|<^0,1), то Во время передачи фронта входного импульса с индуктивностью

намагничивания можно не считаться; в таком случае при скачке

La— индуктивность рассеяния.

С ростом п увеличивается постоянная времени TS (т. е. ско­ рость роста тока і'б уменьшается), но вместе с тем увеличивается

амплитуда тока базы (и амплитуда напряжения на базе). По­ этому следует выбрать компромиссное значение п\ можно счи­ тать оптимальным то значение п = попт, при котором крутизна фронта выходного (коллекторного) импульса получается макси­ мальной. Можно показать, что обычно это выполняется при Е

£б, так как Е ж EK^z (5 — 10)Еб:

т. е. оптимальное (с точки зрения быстродействия ключа) значе­ ние коэффициента трансформации близко к значению п, при ко­ тором источник передает в цепь базы максимальную мощность; по­

следнее имеет место при RT= -^-R BX-

По полученным значениям п, L производится конструктивный расчет трансформатора. Для уменьшения выброса при восстанов­ лении (после запирания транзистора) первичная или вторичная обмотка трансформатора шунтируется диодом или цепочкой Rm, Д, расчет которой рассмотрен в предыдущем пункте.