Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
учебные материалы / Гл 13_С 131-174.doc
Скачиваний:
106
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
8.53 Mб
Скачать

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 Uип, 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 (Rр = ∞), то ток в цепи при замкнутом ключе максимален (Im = Uип/R), а при разомкнутом – отсутствует (I = Uип/∞ = 0). В то же время напряжение Uвых при замкнутом ключе равно нулю, а при разомкнутом – максимально (Uвых = Uип). Построив в осях ВАХ по двум точкам А (I = Uип/R) и В (U = Uип) 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 напряженияUип определяется по формуле = (UВUА) / Uип = 1.

Реальные же ключи (транзисторы) обладают небольшим сопротивлением в замкнутом состоянии (RЗ = rвнут) и конечным сопротивлением изоляции – в разомкнутом (Rр = Rиз). 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 / Uип < 1). Заметим, что в цифровой технике уровень наименьшего потенциала UА = Uвых 0 ≈ 0 служит кодом двоичного нуля [0], а наивысшего потенциала – UВ = Uвых 1 ≈ Uип –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 Uвх. Если Uвх = 0, то ток IБ = 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 Uвых = UКЭ макс Uип. При поступлении же Uвх величиной, достаточной для создания IБ = IБ макс, переводящего транзистор в состояние насыщения, напряжение UКЭ составит лишь доли вольт. В этом случае состояние схемы определяется точкой А, что равнозначно состоянию замкнутого ключа, и напряжение Uвых = UКЭ 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 Uвх), то с выхода снимается код 0 (низкий уровень Uвых) и, наоборот, при подаче напряжения Uвх = 0 (код двоичного нуля) – напряжение Uвых = UКЭ 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 tрас неосновных носителей из области базы, где они накапливаются, создавая заряд qБ, при протекании коллекторного тока IК. При подаче управляющего напряжения Uвх запирающей полярности ток IК продолжает ещё некоторое время оставаться постоянным за счёт избытка носителей в базе. Лишь через tрас 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 Uвх, много ниже потенциала его коллектора. Однако по мере роста IК потенциал коллектора понижается, сначала приближаясь к потенциалу базы, а при достижении IК величины насыщения – становится ниже потенциала базы. Этим объясняется накопление избыточных неосновных носителей, увеличивающих заряд qБ 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 аБ через него удаляется (без tрас) 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 + Uип. Если на вход инвертора подать сигнал кода «0» (Uвх = 0), то разность потенциалов между затвором и истоком VT1 будет и транзистор VT1 окажется закрыт.

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

В случае когда на вход поступит код «1» (Uвх = + Uип), то напряжение = Uвх – 0 ≈ + Uип – 0 ≈ +Е и транзистор VT1 окажется открыт, поэтому через него на выход будет подан нулевой потенциал корпуса (Uвых = 0 – код «0»). В то же время, из-за того, что напряжение = Uвх Uип ≈ +UипUип ≈ ≈ 0, будет закрыт транзистор VT2, а общий ток IC 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 (Uвых / Uип = 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.

Соседние файлы в папке учебные материалы