177

Электротехника и электроника электроника

Глава тринадцатая

Функциональные элементы импульсной техники

13.1. Электронные ключи

О

Рис. 13.1.1. Ключевая схема (а), её идеальная (б) и реальная (в) нагрузочные ВАХ

снову построения современных цифровых и импульсных интегральных схем составляют транзисторныеключевые схемы, которые предназначены для электронной коммутации (переключения) тока в нагрузке. Ключом назвали транзистор из-за подобия его действия в импульсном режиме (открыт – закрыт) механическому переключателю – «рубильнику». Минимально ключевая схема должна содержать источник напряжения питания U_ип, ключ Кл и нагрузку – резистор R (см. рис. 13.1.1, а).

Если ключ Кл идеален, т.е. его сопротивление при замкнутом состоянии равно нулю (RЗ = 0), а при разомкнутом – бесконечно велико (R_р = ∞), то ток в цепи при замкнутом ключе максимален (I_m = U_ип/R), а при разомкнутом – отсутствует (I = U_ип/∞ = 0). В то же время напряжение U_вых при замкнутом ключе равно нулю, а при разомкнутом – максимально (U_вых = U_ип). Построив в осях ВАХ по двум точкам А (I = U_ип/R) и В (U = U_ип) нагрузочную прямую АВ (см. рис. 13.1.1, б), определим то, что точка А характеризует состояние схемы при замкнутом, а точка В – при разомкнутом ключе. При этом для идеального ключа к.п.д. использования напряженияU_ип определяется по формуле = (U_В – U_А) / U_ип = 1.

Реальные же ключи (транзисторы) обладают небольшим сопротивлением в замкнутом состоянии (R_З = r_внут) и конечным сопротивлением изоляции – в разомкнутом (R_р = R_из). Поэтому в реальных ключах точки пересечения нагрузочной прямой с выходными ВАХ сместятся друг к другу (рис. 13.1.1 в), диапазон изменения выходного напряжения уменьшится до величины ΔU, а, значит, уменьшится и к.п.д. (= ΔU / U_ип < 1). Заметим, что в цифровой технике уровень наименьшего потенциала U_А = U_{вых 0} ≈ 0 служит кодом двоичного нуля [0], а наивысшего потенциала – U_В = U_{вых 1} ≈ U_ип –двоичной единицы [1].

В

Рис. 13.1.2. Ключевая схема на БПТ n-p-n-типа (а), её нагрузочная и выходные ВАХ (б)

полупроводниковых ключевых схемах БПТ обычно включают по схеме с ОЭ, а ПТ – с ОИ. Вариант первого из них представлен на рис. 13.1.2,а.

Состоянием ключа здесь управляет сигнал U_вх. Если U_вх = 0, то ток I_Б = 0 и состояние схемы определяется точкой В (см. рис. 13.1.2, б). Транзистор VT находится в состоянии отсечки токов, что адекватно состоянию разомкнутого ключа, и выходное напряжение U_вых = U_{КЭ макс} ≈ U_ип. При поступлении же U_вх величиной, достаточной для создания I_Б = I_{Б макс}, переводящего транзистор в состояние насыщения, напряжение U_КЭ составит лишь доли вольт. В этом случае состояние схемы определяется точкой А, что равнозначно состоянию замкнутого ключа, и напряжение U_вых = U_{КЭ мин} ≈ 0, точнее, несколько выше нулевого уровня, поэтому в схеме к.п.д. = < 1.

На подобных ключевых схемах реализуются и различные логические элементы. В частности, рассмотренная ключевая схема на транзисторе с нагрузочным резистором в цепи коллектора, с которого снимается выходное напряжение, может служить инвертором, т. е. реализовать логическую операцию НЕ: если на вход схемы подаётся код 1 (высокий уровень U_вх), то с выхода снимается код 0 (низкий уровень U_вых) и, наоборот, при подаче напряжения U_вх = 0 (код двоичного нуля) – напряжение U_вых = U_{КЭ макс} (код двоичной единицы).

Конечно, переключение транзистора из одного состояния в другое не происходит мгновенно, для этого требуется некоторое время, что, естественно, снижает быстродействие всех цифровых устройств. У БПТ таким показателем замедления выступает время рассасывания t_рас неосновных носителей из области базы, где они накапливаются, создавая заряд q_Б, при протекании коллекторного тока I_К. При подаче управляющего напряжения U_вх запирающей полярности ток I_К продолжает ещё некоторое время оставаться постоянным за счёт избытка носителей в базе. Лишь через t_рас происходит переход транзистора из состояния насыщения (точка А на ВАХ) в состояние отсечки (точка В). Этого недостатка лишён так называемый транзистор Шоттки, УГО и принципиальная схема которого приведены на рис. 13.1.3.

Обычно в активном режиме (регулируемый участок выходной ВАХ БПТ) потенциал базы транзистора, подключённой к U_вх, много ниже потенциала его коллектора. Однако по мере роста I_К потенциал коллектора понижается, сначала приближаясь к потенциалу базы, а при достижении I_К величины насыщения – становится ниже потенциала базы. Этим объясняется накопление избыточных неосновных носителей, увеличивающих заряд q_Б и повышающих степень насыщения БПТ.

Рис. 13.1.3. УГО (а) и принципиальная схема (б) транзистора Шоттки

Если же между базой (точка α рис. 13.1.3, б) и коллектором (точка b) БПТ VT включить диод Шоттки VD, то насыщения не наступает, так как даже при незначительном (менее 0,1 В) понижении потенциала точки b относительно точки α диод VD отпирается и избыточный заряд а_Б через него удаляется (без t_рас) в коллектор VT.

Конструктивно транзистор Шоттки, служащий основой современных биполярных цифровых ИМС, представляет собой интегральную структуру, в которой диод Шоттки исполнен в виде контакта металла с коллекторной областью транзистора.

Функцию транзисторного ключа не менее эффективно выполняют и полевые транзисторы. Более того, если ключ на БПТ не потребляет мощности от источника питания только в закрытом состоянии, то на ПТ можно реализовать ключ, не потребляющий мощности как в закрытом состоянии, так и в открытом. Примером такого решения может служить схема инвертора, приведённая на рис. 13.1.4. Она построена на так называемых комплементарных (взаимодополняющих) транзисторах (КМОП), состоящих из двух МОП-транзисторов с каналами противоположного типа, затворы и стоки которых соединены параллельно. Схема симметрична: когда один из транзисторов открыт и выполняет роль замкнутого ключа, второй – закрыт и служит нагрузочным сопротивлением.

Анализ соединений схемы показывает, что исток и подложка ПТ VT₁ п

Рис. 13.1.4. Схема инвертора на КМОП-транзисторах

(МОП-транзисторы с индуцированными каналами: VT₁– сn,VT₂– ср)

одключены к нулевому потенциалу корпуса, а исток и подложкаVT₂ – к + U_ип. Если на вход инвертора подать сигнал кода «0» (U_вх = 0), то разность потенциалов между затвором и истоком VT₁ будет и транзистор VT₁ окажется закрыт.

Напряжение = U_вх – U_ип ≈ 0 – U_ип ≈ – U_ип между затвором и истоком транзистора VT₂ будет удерживать этот транзистор в проводящем (насыщенном) состоянии. Поэтому через транзистор VT₂, как через коротко замкнутый ключ, потенциал + U_ип подаётся на выход, формируя на нём код «1» (U_вых = + U_ип). При этом общий для транзисторов VT₂ и VT₁ ток I_C будет близок к нулю, так как сопротивление запертого транзистора VT₁ достаточно велико.

В случае когда на вход поступит код «1» (U_вх = + U_ип), то напряжение = U_вх – 0 ≈ + U_ип – 0 ≈ +Е и транзистор VT1 окажется открыт, поэтому через него на выход будет подан нулевой потенциал корпуса (U_вых = 0 – код «0»). В то же время, из-за того, что напряжение = U_вх – U_ип ≈ +U_ип –U_ип ≈ ≈ 0, будет закрыт транзистор VT₂, а общий ток I_C снова будет близок к нулю, но теперь из-за сопротивления запертого транзистора VT₂.

Таким образом, логическая операция «НЕ» реализуется, а мощность от источника питания практически не потребляется: ток через оба транзистора протекает только в мгновенья их переключения.

Ключевая схема на комплементарных транзисторах близка к идеальному ключу и коэффициент использования напряжения источника питания у неё близок к единице (=ΔU_вых / U_ип = 1).

Благодаря высокому значению коэффициента к.п.д. , малой потребляемой мощности и высокому быстродействию ключевые схемы на КМОП-транзисторах нашли широкое распространение в интегральной электронике.