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

2.4.7. ЦЕПИ СВЯЗИ ЛАМПОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Принципы построения, и схемы цепей связи ламповых и тран­ зисторных ключей во многом аналогичны. Резистивная связь лам­ повых ключей рассчитывается таким образом, чтобы при запер­ той лампе Л\ управляющего ключа лампа Л 2 управляемого ключа была открыта и работала в режиме сеточного ограничения (при небольшом положительном напряжении на сетке) и, наоборот, при открытой лампе Л { лампа Л2 была закрыта.

Ускоряющая емкость С в схеме резистивно-емкостной связи выбирается обычно из 'условия, чтобы она 'вместе с резистивным делителем и входной емкостью лампы образовывала компенсиро­ ванный делитель [6].

Непосредственная связь между ламповыми ключами практиче­ ски не применяется, так как для запирания лампы Л2 необходимо включить в ее катод источник значительного положительного сме­ щения, что, естественно, приводит к усложнению схемы.

2.5. НЕНАСЫЩЕННЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

2.5.1. КЛЮЧИ ОЭ С ДИОДНОЙ ФИКСАЦИЕЙ

Устранить насыщение можно путем фиксации потенциала кол­

По мере отпирания транзистора потенциал ик коллектора растет (т. е.- падает по абсолютному значению); при |ы к |^ £ ф отпи­ рается диод Д и потенциал коллектора фиксируется на уровне Еф (если пренебречь напряжением на открытом диоде). Теперь при

через диод Д.

130

образом обратная связь начинает действовать лишь тогда, когда коллекторный ток близок по величине к току / к,‘„ т. е. транзистор близок к режиму насыщения.

Основная задача при расчете ключа с ООС сводится к выбору Ro, величины тока івх = / вх ті типа диода, при которых:

— ток г.;, даже в транзисторе с ß = ß Mmi, был бы не меньше І'к, т. е. Ид ^ 0 (транзистор близок к режиму насыщения);

— транзистор с ß = Рм акс был бы не насыщен. Ниже будет показано, что при правильно рассчитанных параметрах в цепи обратной связи это условие можно выполнить даже при ßMaKc = = оо, поэтому для используемых транзисторов должна быть извест­ на лишь величина ß Mim-

Расчет

132

В схеме рис. 2.40а эта величина тока / Пх обеспечивается выбором Е Вх и сопро­ тивлений R и Ro'.

величину порядка 1 кОм, то R nр диода должно быть много меньше 1 кОм. Од­ нако плоскостные диоды, имеющие меньшее, чем точечные диоды, прямое сопро­ тивление, в данном случае применять нецелесообразно. Ниже, при рассмотрении переходных процессов в ключе с ООС, показано, что выходное напряжение та­ кого ключа начинает изменяться после запирания диода, и поэтому для умень­ шения времени переключения ключа следует выбирать диод с малым временем переключения, соизмеримым с постоянной времени транзистора. Таким образом, диод в данной схеме должен быть точечным.

Максимальное обратное напряжение на диоде Д (при запертом транзисторе)

чего напряжение «он на коллекторном переходе этого транзистора должно быть

а напряжение на диоде можно найти по его характеристике при токе ід. Под­

133

стать его коллекторный ток. Так как диод отпирается только при

образом, отпирание транзистора в ключе с ООС и без нее происхо­ дит при одной и той же величине базового тока.

В течение всей длительности фронта (ф включения транзи­ стора обратная связь не действует, и поэтому для вычисления ве­

После отпирания диода коллекторный ток меняется незначи­ тельно, и поэтому можно считать, что процесс включения транзи­ стора заканчивается в тот момент, когда отпирается диод, т. е. этот

процесс длится время t%.

134

В момент t = t2 мгновенно изменяется входной ток ключа. Так как в результате действия ООС транзистор остался в активном

Рис. 2.42

режиме, то изменение коллекторного тока начнется в тот же момент. Однако, пока не закроется диод (т. е. пока ток ік, умень­

шаясь, не достигнет величины /і), напряжение ик меняется сравни­ тельно мало из-за шунтирующего действия низкоомной цепи, со­ стоящей из диода, резистора Ro и входного сопротивления транзи­ стора Rax. Поэтому «к начнет изменяться с задержкой /3, длитель­ ность которой будет равна времени уменьшения коллекторного

тока до величины /,{. [Следует заметить, что запирание транзистора

держки t3 меньше, чем длительность рассасывания /р в насыщен­

стора меньше тока /б» который проходил бы в цепи базы насы­ щенного ключа, и поэтому из базовой области транзистора в клю­

135

че с ООС нужно удалять за время t = t3 меньший избыточный за­ ряд неосновных носителей, чем из базовой области транзистора в насыщенном ключе. Для сравнения обе эти величины изображены на графике iK(t) (рис. 2.42), где принято Д — / КН•

Оценим теперь величину t3. Пусть RK» Ra + R0 + /?вх (что ча­ сто выполняется на практике). Тогда при изменении тока ік на ве­ личину Д;„ изменение тока диода Дід примерно равно Дік, и как только ток г'д уменьшится до нуля, цепи обратной связи отклю­ чаются (диод запирается). Таким образом, интервал t3 заканчи­ вается тогда, когда ік уменьшается на величину, примерно равную

та. При выводе этих формул, во-первых, не была учтена инерцион­ ность диода, т. е. конечное время восстановления его обратного со­ противления. Очевидно, что это время должно быть соизмеримо со временем t3, и поэтому в схеме ключа с ООС следует использо­ вать диоды с временем переключения порядка та транзистора ключа. В быстродействующих схемах запирание транзистора часто

а поэтому величина t3с учетом его получилась бы еще меньше. Так как формирование фронта коллекторного напряжения начинается

не изменяя длительности фронтов, приводит к резкому уменьше­ нию длительности задержки выключения транзистора.

В заключение заметим, что в рассмотренной схеме была ис­ пользована ООС по напряжению; можно построить и ненасыщенные ключи с отрицательной обратной связью по току. Последние пред­ ставляют собой, по существу, переключатели тока и рассматри­ ваются в следующем параграфе.

2.5.3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ТОКА

Принцип действия транзисторного переключателя тока иллю­ стрируется схемой рис. 2.43а; предполагается, что ток от генератора постоянного тока /о в эмиттерной цепи транзисторов Ті и Т2 может

136

быть направлен в транзистор Т\ или в транзистор Т2 в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения ивх. Если транзисторы германиевые (переключатели тока на кремниевых

транзисторах рассматриваются подробно в разд. 2.6 в связи с изу­ чением цифровых интегральных схем), то для переключения тока

пряжения на базе германиевого транзистора при токе эмиттера порядка 10 мА). Тогда ивх — ибэ! — и6э2 = —0,3 В; и при входном напряжении ивх = —0,3 В открыт Д и ток /0 идет через него.

запиранию и, в частности, глубокую отсечку запертого транзи­ стора, в практических схемах иногда выбирают величину пере­

137

При переключении тока /о на коллекторах транзисторов созда­

лучается, а величину тока /0 нужно увеличивать, чтобы получить требуемое значение UmBЫх- В реальных схемах выбирают RK по­ рядка ЮО-нЗОО Ом, І0 — порядка 3-г-10 мА. Напряжение Ек выби­ рают по величине больше UmBX + U n, вых (например, Зч-6В); при этом переход коллектор — база открытого транзистора смещен в обратном направлении и, следовательно, открытый транзистор ра­ ботает не в режиме насыщения, а в линейном (активном) режиме.

Заметим, что, хотя открытый транзистор в переключателе тока работает в активной области, смещение его рабочей точки из-за разброса параметров и изменения температуры весьма мало; это объясняется тем, что эмиттерный ток в рассматриваемой схеме фиксируется внешним генератором тока / 0 и от параметров тран­ зистора не зависит, а относительное изменение коллекторного тока

перепад напряжения одного ключа можно использовать для управ­ ления другим, амплитуда выходного перпада U m вых IORK должна быть равна U m вх, т. е. в нашем примере 1,2 В.

Заметим, что если используется только один выход U выхЬ ТО второй транзистор Т2 можно заменить диодом, который включает­ ся вместо эмиттерного р-«-перехода Т2 (рис. 2.43д). Нетрудно видеть, что последнюю схему можно интерпретировать как схему транзисторного ключа с ООС по току.

Быстродействие переключателя тока весьма велико. Это обус­ ловлено следующим. Во-первых, открытые транзисторы работают здесь в активной области, и поэтому выключение открытого тран­ зистора не связано с рассасыванием избыточного заряда в его базе. Во-вторых, транзистор Т2 работает в режиме схемы ОБ (гра­ ничная частота транзистора в схеме ОБ fa во много раз больше его граничной частоты в схеме ОЭ), причем ключ на транзисторе Т2 управляется (по цепи эмиттера) от низкоомного источника — эмиттерного повторителя на транзисторе Т\. В свою очередь, уско­ рение переключения ключа на транзисторе Ті часто достигается (помимо введения отрицательной обратной связи через R3) путем подачи на его вход управляющего напряжения от эмиттерного по­ вторителя (см. разд. 2.6). Наконец, благодаря малой величине

138

Ru достигается быстрый перезаряд паразитных емкостей. В резуль­ тате время переключения схемы часто оказывается порядка 1 нс.

Для построения различных переключательных схем требуется каскадирование (последовательное соединение) переключателей тока. Но, как видно из рис. 2.43в, уровень, относительно которого отсчитывается выходное напряжение, не совпадает с уровнем, от­ носительно которого отсчитывается входное напряжение. Поэтому возникает задача согласования входных и выходных уровней. Ее можно было бы решить включением резистивных делителей между коллектором управляющего и базой управляемого ключей; но в

ключа. Поэтому такой способ неприемлем и на практике исполь­ зуются два других.

Первый способ заключается в том, что последовательно вклю­ чаемые переключатели строятся на транзисторах различного типа; если первый переключатель строится на транзисторах типа р-п-р, то второй — на транзисторах типа п-р-п и наоборот; при этом к коллекторам транзисторов подключаются дополнительные гене­ раторы тока /о/2 (обычно такой генератор создается совокупностью источника большого напряжения Е\ и резистора с большим сопро­ тивлением R I, причем EJRi = І\ = / 0/2).

На рис. 2.44а,б приведены схемы переключателей тока на тран­ зисторах р-п-р и п-р-п со вспомогательными генераторами тока

как требуется для управления схемой рис. 2.446 на транзисторах типа п-р-п. Наоборот, напряжения ыВыхз и ггвых4 изменяются

Рис. 2.44

139