Elektronika / electronics

63

Влияние RC – цепи на прямоугольный импульс

Дифференцирующая RC - цепь

0

(t < 0),

Пусть на вход цепи подана единичная ступенька напряжения

. Пере-

t

1

(t ≥ 0)

-

ходная характеристика этой цепи равна h(t) = e

τ , где τ = RC. Если подать на емкость С

прямоугольный импульс, в первый момент времени t сопротивление X C = 0, следователь-

но, ток будет протекать через емкость С и сопротивление R. Емкость начнет заряжаться.

Чем больше она заряжается, тем меньше ток I через сопротивление R. Чем больше ем-

кость С, тем дольше она заряжается.

1

1(t)

C

t

Uвх

R

Uвых

1

τ 1

τ 1 > τ 2

τ 2

t

Из приведенных иллюстраций видно, что плоская вершина входного импульса на

выход точно не подается. При этом, чем больше постоянная времени τ , тем меньше спад

вершины за определенный промежуток времени, то есть если τ 1 < τ 2 , тем круче будет гра-

фик переходного процесса.

UВХ

t

UВЫХ идеальный

t

UВХ

τ >> tИ

Емкость большая и не успеет

∆ U

зарядиться за tИ. Получаем

UВХ

t

передающую цепь.

−

t

∆ U

∆ U = UВХm(1− е

τ

)

UВХ

τ << tИ

t

Емкость маленькая и заряжается

за время меньшее, чем t .

И

tивых

Дифференцирующая RC-цепь.

= UВХе−

t

И ВЫХ

0,1 = е−

t

И ВЫХ

; ln 0,1 = −

t И ВЫХ

UВЫХ

τ ; через t = t И ВЫХ UВЫХ = 0,1UВХ.

τ

τ

t

= τ ln 0,1 = 2,3τ .

И ВЫХ

{

2,3

R

1

1(t)

UВХ

UВХ

C

UВЫХ

t

t

τ 1

> τ 2

τ << t И

1

t

τ 2

τ 1

t

τ >> tИ

Заряд С

t

(1− е−

t

т.к. e−

t

t

t

U

= U

= U

τ

)

τ ≈ 1−

; то U

= U

– линейная функ-

ВЫХ

C

ВХМАХ

τ

ВЫХ

ВХМАХ τ

65

Электронный ключ на биполярном транзисторе

Транзисторные ключи являются одним из наиболее распространенных элементов

импульсных устройств. На их основе создаются триггеры,

мультивибраторы, коммутаторы и другие.

+ ЕП

Электронный ключ – это усилитель, работающий в

режимах отсечки и насыщения.

R К

1

(логическая единица)

0 на входе− UЛ

1 на входе− UЛ

0 (логический ноль)

UЛОГ. ПЕРЕПАДА = UЛ1 − UЛ

0

Режим насыщения (VT – в точке):

R Б

-

+ ЕП

U ВХ

U СМ

IK НАСЫЩ. = β IБ НАСЫЩ.

+

IБ НАСЫЩ. =

IK НАСЫЩ.

=

ЕП − UК НАСЫЩ.

≈

ЕП

β

β RК

β RК

Для обеспечения режима насыщения необходимо выполнение ус-

ловия IБ > IБ НАСЫЩ. . Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр ко-

IБ

>> 1,

эффициент насыщения: S = IБ НАСЫЩ.

который показывает, во сколько раз ток, проте-

кающий в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение.

Мощность определяется как PНАС. = IK НАС.UK НАС. ≠

0 .

Режим отсечки (VT за-

I K

крыт – в обрыве:

+ ЕП

В

режиме

EK

R K

отсечки

оба

перехода бипо-

I К НАС

насыщение

I К НАС

лярного

тран-

зистора

сме-

щены в

обрат-

ном направлении. Для того,

чтобы

UБ < 0

включают

UСМЕЩ.

через R Б , так чтобы

UСМЕЩ.

> IК0 .

RБ

U1Л = UK ОТС. = ЕП − IK0 RK ≈ EП

отсечка

I

Б

= − I

К0

Мощность

определяется

U K

как PОТС. = IK0 EП ≈ 0 .

UK НАС = U0Л

U K ОТС = U 1

EK

Л

I K 0

R

K

Переходные процессы в ключе

IБ1

> IБ НАС. ; IБ2 = IБ0

−t

IK

= β IБ (1− е τ

); приt →

∞

IK

= β IБ1 (установившеесязначение)

При t = tФ

IK

= IK НАС. =

ЕП

R K

−tФ

IK НАС. = β IБ1 (1− е τ β

) = β IБ НАС.

−tФ

−tФ

IБ1

− IБ НАС.

IБ1 (1− е τ β

) = IБ НАС.

е

τ β =

IБ1

tФ

= τ β ln

IБ1

(времяперехода изотсечкивнасыщение).

I

Б1 − IБ НАС.

Вывод: tФ

тем меньше, чем больше IБ1.

I Б

I Б2

I Б1

I Б2

Q

Q ГР

Q ИЗБ

Q ГР

= τ β IБ НАС

τ β I Б1

τ

β I Б2

I К

τ Р

IК НАС

β

I Б1

t

Ф

t Р

t СР

−t

−t

Q = QНАЧ е τ

− QКОН. (1− е τ

);

QНАЧ = IБ1 τ β

;

QКОН = IБ2 τ β ;

при QГР. , IБ = IБ НАС.

−tР

−tР

Q = QГР. = IБ НАС. τ β ; IБ НАС. τ β

= IБ1 τ β е

τ β

− IБ2 τ β

(1− е

τ β

);

−tР

−tР

IБ1 + IБ2

IБ НАС. = IБ1 е

τ β

− IБ2 (1− е

τ β

)

tР = τ β ln

;

IБ НАС. + IБ2

Вывод: tР тем больше, чем больше IБ1.

Время среза импульса tСР:

−tР

−tР

IБ НАС. + IБ2

IБ НАС.е τ β − IБ2

(1− е τ β ) = 0

tСР = τ β ln

≈ 2,3 R K C*K ,

IБ2

+ ЕП

U ВХ

СУ

R

К

t U

t

R Б

IБ

U ВХ

IБ НАС

t

I

Б

=

UВХ

>> I

Б НАС

t=0

RВХ VT

τ = RВХCy tФ → 0.

Ёмкость заряжается очень быстро, так как

VT

К концу импульса IБ

t=tU

=

UВХ

;

RБ + RВХ

При подаче на вход импульса (t = 0)

IБ =

UВХ

>> IБ НАС . Диод VD будет закрыт

RВХ

VT

+ ЕП

IK

VD

R К

U ВХ

0,5

10

U K

69

Ключи на полевых транзисторах

Ключи на полевых транзисторах используются для коммутации как аналоговых,

так и цифровых сигналов, причем коммутаторы аналоговых сигналов выполняют на поле-

вых транзисторах с управляющим p - n

переходом или МОП - транзистор – транзисторах

с индуцированным каналом. В цифровых схемах применяются

только МОП - транзистор – транзисторы с индуцированным

+ ЕП

каналом.

RC

1.

Для ключей на полевых транзисторах характерно:

малое остаточное напряжение на ключе, находящемся в

проводящем состоянии;

С

2.

высокое сопротивление в непроводящем состоянии, как

следствие, малый ток, протекающий через транзистор,

И

UВЫХ

канал которого перекрыт;

UВХ

3.

малая мощность, потребляемая от источника управляю-

щего напряжения;

4.

хорошая электрическая развязка между цепью управле-

ния и цепью коммутируемого

сигнала, что позволяет

обойтись без трансформатора в цепи управления;

IC

5. возможность коммутации электрических сигналов

очень малого уровня (порядка мкВ).

Различают два режима: режим отсечки и режим насы-

щения.

Режим отсечки: UЗ = UВХ = 0: IC = 0, UC = EП ;

UЗ

Режим насыщения:

EП

U

З

= U

ВХ

> U

: I

C

=

, U

C

≈ 0

U

З0

− возбуждениеканала

З0

RC

В интегральной логике сопротивление Rс занимает большую площадь, поэтому

используют динамическую нагрузку. В схеме, показанной на рисунке ниже, полевой тран-

зистор VT2 играет роль сопротивления.

По быстродействию ключи на полевых транзисторах обычно уступают ключам

на биполярных транзисторах. Кроме того, у них наблюдается проникновение в коммути-

+ ЕП

руемую цепь дополнительных импульсов, параметры которых

зависят от управляющего сигнала. Причиной их появления

VT2

является наличие паразитных емкостей (СЗИ и СЗС), которые

имеются на затворе, подложке, истоке, стоке (Считают,

что

эта емкость СZ подключена к выходу ключа).

С

Тогда время фронта t Ф будет определяться как время

заряда емкости через VT2. Так как ВАХ

VT2 является нели-

VT1

C

нейной, то расчет делается приближенно. Характеристика за-

И

Z

UВХ

меняется

линейной

(определяется

IСН

и

RСР = EП

).

2

IСН

tФ = 2,3RСР СZ

2

Время среза будет определяться как время разряда емкости на VT1. рассмотрим

два отрезка:

= CZ EП

1.

в первый момент U

CZ

= E

П

течёт ток I

C ОТКР

.: t′

C

IC ОТКР.

70

2.

затем

I C уменьшается и считают, что происходит разряд на R′CP =

EП

:

IC ОТКР.

t′′ = 2,3R′

C

Z

. Среднее время среза будет определяться как

CP

CP

E

C

E

tC =

t′

+ t′′

C

П +

2,3 E

Z )

1

=

1,65C

C

C = (

Z

П

2

Z

П

2

IC ОТКР.

IC ОТКР.

IC ОТКР.

IС

VT1

U З

> U З0

IC ОТКР

насыщение

R ′СР

IС НАС

IC НАС

VT2

2

R СР

отсечка U З

= 0

U ОСТ ≈

0,05 ÷

0,1В

U С

ЕП

Комплиментарный ключ

В комплиментарном ключе пара транзисторов VT1 и

+ ЕП

VT2 образуют комплиментарную пару (транзисторы с канала-

VT2

ми разного типа, но идентичные по параметрам). При UВХ = 0

VT1 – открыт, а VT2 – закрыт, UВЫХ = ЕП. При UВХ ≥ UЗ0 VT2

– открыт, а VT1 – закрыт, UВЫХ = 0.

С

U ВЫХ

В статическом режиме тое через ключ не протекает.

VT1

Ток течет только при переключениях, следовательно, потреб-

ляемая мощность является минимальной.

И

Такие ключи являются основными элементами БИС,

СБИС (КМОП - логики).