Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

тельной полярности, но величиной, не превышающей Uот.т. В этом случае при Uвх0 ≤ Uвх < Uот.т транзистор практически не усиливает входной сигнал, а токи Iб и Iк оказываются почти такой же величины, как и в области отсечки, хотя он оказывается в активной области.

Амплитуда управляющего сигнала ивхт = Uвхт – Uвх0 должна быть достаточной, чтобы при установлении высокого уровня Uвхт транзистор оказался в насыщении при полной нагрузке, подключаемой к его коллектору.

При входных напряжениях Uвх < Uот.т транзистор закрыт, на его выходе устанавливается напряжение Uвых1 , соответствующее высо-

кому (единичному) уровню выходного потенциала и определяемое соотношением:

Uвых1 = Ек − Uвых.з ,

где Uвых.з = Rк(Iкз + Iн.з) Rк(Iк0 + Iн.з) – перепад напряжения на резисторе Rк, который образуется током коллектора закрытого тран-

зистора (Iкз ≈ Iк0) и током Iн.з, отбираемым нагрузкой в разомкнутом положении ключа.

При напряжениях Uвх > 0 транзистор оказывается в активной области, однако пока Uвх < Uвх.от, выходной потенциал практически не меняется.

Транзистор отпирается и начинает усиливать входной сигнал, когда Uвх становится равным напряжению отпирания ключа Uвх.от, в данном случае совпадающему с напряжением отпирания транзистора Uот.т. После отпирания транзистора благодаря усилению входного сигнала последующее увеличение Uвх сопровождается стремительным спадом выходного потенциала Uвых до тех пор, пока транзистор не окажется в области насыщения. Переход в область насыщения происходит тогда, когда входное напряжение достигает уровня Uвх.гр, при котором транзистор оказывается на грани насы-

щения, наступающего при токе базы Iб = Iкн . На выходе устанав-

βN

ливается напряжение Uвых0 , соответствующее низкому (нулевому) уровню, равному потенциалу коллектора в насыщенном состоянии,

т.е. Uвых0 = Uкэн.

42

При отпирании транзистора продолжительность спада выходного потенциала определяется временем задержки t1зд,0 и временем

перехода из состояния единицы в состояние нуля t1,0 (см. рис. 2.5). После этого наступает стадия накопления носителей заряда в базе с

продолжительностью tуст = 3τн.

При запирании транзистора сначала происходит рассасывание носителей заряда, накопленных в базе. В течение этого времени продолжительностью tрас выходной потенциал практически не меняется. И только после рассасывания носителей заряда в базе непосредственно у коллекторного перехода начинается нарастание выходного потенциала от уровня Uвых0 до Uвых1 . Суммарная продол-

жительность этого перехода определяется временем задержки tзд0,1

и временем перехода из состояния нуля в состояние единицы t0,1. При формировании фронта и среза выходного импульса про-

должительность переходных процессов определяется параметрами транзистора (постоянной времени коэффициента передачи тока базы τβN и емкостью коллекторного перехода Ск), а также пара-

зитными емкостями, шунтирующими выход канала (в том числе и емкостью нагрузки Сн).

Переключатели тока на биполярных транзисторах с объеди-

ненными эмиттерами. В рассмотренном простейшем ключе насыщение транзистора приводит к заметному увеличению времени выключения и, соответственно, к снижению его быстродействия. Насыщение транзистора можно предотвратить включением между его коллектором и базой диода Шоттки, представляющего собой переход с барьером на границе металл–полупроводник. Поскольку в металле практически исключается накопление носителей, то продолжительность переключения транзистора Шоттки уменьшается на время, необходимое на рассеивание носителей заряда, накапливаемых у коллекторного перехода.

В быстродействующих ключах на транзисторах Шоттки, несмотря на предотвращение насыщения транзисторов (что, конечно, способствует заметному уменьшению времени выключения), возможности биполярного транзистора далеко не полно используются.

43

Дело в том, что в таких ключах транзистор управляется по базе. При этом, во-первых, инерционность транзистора характеризуется постоянной времени τβN , которая определяется временем жизни

носителей, значительно превышающим среднее время пролета носителей в базе, и, во-вторых, эффективное влияние емкости коллекторного перехода, действующего как проходная емкость, тоже заметно больше, чем при управлении ключом по эмиттерной цепи.

Разумеется, ключ с базовым управлением все же имеет и определенные достоинства, из которых наиболее важным является возможность управления малым входным током. Ток базы в (βN + 1) раз меньше тока эмиттера. Это способствует повышению быстродействия ключа с базовым управлением.

Очевидно, что при разработке быстродействующих ключей следует сохранять достоинства ключа с базовым управлением, исключив причины, замедляющие переключение транзистора. Наиболее полно это удалось реализовать в переключателе тока на транзисторах с объединенными эмиттерами.

Схема такого переключателя показана на рис. 2.6.

В переключателе тока в эмиттерную цепь транзисторов задается ток I0 постоянного значения, кото-

рое поддерживается либо включением в цепь эмиттеров сравнительно высокоомного резистора Rэ, либо использованием транзисторного источника тока I0, как это показано на рисунке. В стационарном режиме переключателя этот ток полностью отбирается из эмиттера либо транзистора Т1 (тогда Т2 не проводит), либо Т2 (тогда не проводит Т1). Значение тока I0 выбирают так, чтобы в рабочем режиме элемента исключалось насыщение проводящего транзистора Т1 или Т2. Управление переключателем тока производится подачей сигнала на базу транзистора Т1. На базу же транзистора Т2, образующего вторую половину переключателя, подается

44

фиксированный опорный потенциал Uоп, значение которого выбирают так, чтобы транзистор Т2 был способен пропускать полностью ток I0 при установлении на входе, т.е. на базе Т1 низкого потенциала Uвх0 . При подаче на вход (т.е. на базу Т1) высокого по-

тенциала Uвх1 ток I0 переключается в эмиттерную цепь входного

транзистора. При этом транзистор Т2 с фиксированным смещением запирается.

При переключении тока из эмиттера одного транзистора в эмиттер другого происходит изменение выходных потенциалов: потенциал коллектора входного транзистора изменяется на величину I0Rк1 (повышается на эту величину при запирании Т1 и понижается при отпирании Т1), а потенциал коллектора Т2 на величину I0Rк2 (понижается при запирании Т1, когда проводит Т2, и повышается, наоборот, когда проводит Т1, а Т2 запирается).

Отметим, что в переключателе тока входные импульсы поступают на базу транзистора, поэтому потребляемый от источника управляющих сигналов ток практически такой же величины, что и в обычном ключе. Однако транзисторы, образующие переключатели, работают в режиме управления по эмиттеру, поскольку переход транзистора из одного состояния в другое происходит по мере переключения тока эмиттера, задаваемого источником I0. Следовательно, переключателю тока свойственны достоинства ключа с эмиттерным управлением, а именно: в режиме переключения, вопервых, инерционность транзисторов определяется средним временем пролета носителей в базе и дисперсией этого времени (а не временем жизни неосновных носителей) и, во-вторых, влияние емкости коллекторного перехода Cк не возрастает в (βN + 1) раз, так как она не оказывается охваченной обратной связью (как проходная емкость в ключе при базовом управлении).

Таким образом, в переключателях тока быстродействие повышается за счет предотвращения насыщения транзисторов и за счет управления по эмиттеру в режиме переключения, обеспечивающего малую инерционность транзистора и слабое влияние емкости коллекторного перехода. Немаловажное значение имеет ограничение пределов изменения перепадов напряжения и использование эмиттерных повторителей на входе или на выходе.

45

Наличие вспомогательного транзистора Т2 с опорным напряжением, конечно, усложняет схему, однако это же дает возможность расширить функциональные возможности переключателя, так как выходной перепад на коллекторе Т2 появляется в противофазе с выходным напряжением T1. Благодаря включению Т2 в переключателе тока имеются два выхода. Первый из них берется с коллектора Т1 – это инвертирующий выход Uвых1, который принимает следующие значения в зависимости от Uвх:

при Uвх = Uвх0

Uвых1 =Uвых1 1 = Ек ,

при Uвх = Uвх1

Uвых1 =Uвых0 1 ~− Ек − I0Rк1 .

Входной сигнал инвертируется транзистором Т1. На втором выходе, который берется с коллектора вспомогательного транзистора T2, сигнал не инвертируется:

при Uвх = Uвх1

Uвых2 =Uвых1 2 ~− Ек ,

при Uвх = Uвх0

Uвых2 =Uвых0 2 ~− Ек − I0Rк2 .

Наличие двух выходов, реализующих логическую инверсию, особенно удобно при использовании переключателя тока в цифровых устройствах. При этом, чтобы получить одинаковые перепады напряжения на выходах, сопротивления резисторов Rк1 и Rк2 выбираются равными друг другу.

2.3. Электронные ключи на униполярных транзисторах

В цифровых устройствах обычно используют ключевые элементы на МДП-транзисторах. Они строятся на двух последовательно включенных транзисторах с индуцированным каналом, применение которых позволяет сравнительно просто согласовывать выходные потенциалы предыдущих элементов с входными потенциалами последующих в цепочке ключевых элементов.

46

Области работы МДП-транзистора и его ВАХ. В зависимости от проводимости канала различают транзисторы п-типа и р-типа. В первом из них канал обладает электронной проводимостью, а во втором – дырочной проводимостью. Тип проводимости стока и истока всегда совпадает с типом проводимости канала.

Как отмечалось, различают три области работы униполярного транзистора. Первая из них – область отсечки токов. При работе в этой области транзистор не проводит тока, так как на его затворе действует запирающее смещение, перекрывающее полностью канал. Перекрытие канала по затвору происходит при напряжении отсечки Uотс (для транзисторов с управляющим р-п-переходом и со встроенным каналом) или при пороговом напряжении Uпор (для транзисторов с индуцированным каналом).

Вторая область работы транзистора это активная область с пологим участком ВАХ (рис. 2.7). Граница этой области определяется стоковым напряжением перекрытия Uс.пер. При достижении этого напряжения канал перекрывается вблизи стока, поэтому ток стока практически перестает нарастать с увеличением (по абсолютной величине) потенциала стока Ucи. Для транзистора с управляющим р-п-переходом и со встроенным каналом стоковое напряжение перекрытия определяется соотношением

Uс.пер = Uзи – Uотс,

а для транзистора с индуцированным каналом

Uс.пер = Uзи – Uпор

(Uзи – управляющее напряжение на затворе).

Рис. 2.7. Стоковая характеристика униполярного транзистора

47

Если потенциал стока становится меньше по абсолютной величине напряжения перекрытая Uс.пер, то транзистор переходит в крутую область ВАХ, где наблюдается заметное изменение тока стока Iс с изменением потенциала стока Uси. Однако при работе в этой области заметно уменьшается усиление входного напряжения транзистором, так как с изменением потенциала затвора Uзи ток стока меняется сравнительно мало. По аналогии с электровакуумной лампой эту область работы транзистора можно назвать областью ограничения тока стока.

ВАХ всех видов полевых транзисторов можно представить одними и теми же уравнениями:

▪ в пологой области при потенциале стока Uси ≥ Uс.пер

Ic = kптUс2.пер .

Этой формулой определяются как стоковая (рис. 2.7), так и стокозатворная (рис. 2.8) характеристики при работе транзистора в активной области.

Рис. 2.8. Стокозатворные характеристики МДП-транзистора с индуцированным

каналом с п-проводимостью (а)

и р-проводимостью (б)

аб

Коэффициент пропорциональности kпт, характеризующий квадратичную зависимость тока стока Iс от напряжения, определяется геометрическими размерами прибора и электрофизическими параметрами полупроводникового кристалла.

48

Транзисторный ключ с нелинейным резистором. Схема клю-

ча на транзисторах с п-проводимостью приведена на рис. 2.9, а. Ключевым элементом служит транзистор Т, нагрузкой которого является нелинейный резистор в виде МДП-структуры Тн. Переключательную характеристику ключа (рис. 2.9, б) можно определить из равенства токов ключевого Iс и нагрузочного Iс.н транзисторов, т.е. Iс = Iс.н.

аб

Рис. 2.9. Схема электронного ключа на МДП-транзисторах с нелинейным резистором (а) и его переключательная характеристика (б)

При входном напряжении Uвх = Uзи, меньшем порогового Uпор, ключевой транзистор закрыт, и его ток стока Iс практически равен нулю. Равен нулю и ток стока нагрузочного транзистора Iс.н. При этом на выходе ключа устанавливается потенциал Uвых1 , соответст-

вующий единичному уровню. Значение Uвых1 можно оценить из уравнения (Iс.н = 0):

где Uпор.н – пороговое напряжение нагрузочного транзистора; ηн – коэффициент влияния подложки на этот транзистор.

При входном напряжении Uвх.от = Uпор транзисторы отпираются и работают в пологой области ВАХ, в которой по мере увеличения Uвх происходит стремительное уменьшение выходного напряжения Uвых. Когда входное напряжение достигает уровня Uвх.гр, ключевой

49

транзистор Т переходит в крутую область ВАХ, поэтому дальнейшее увеличение Uвх приводит к незначительному уменьшению выходного напряжения. Оно фиксируется на уровне остаточного на-

пряжения Uвых0 , соответствующего нулевому значению. Времена задержки t1,0зд и tзд0,1 , а также времена переключений t1,0 и t0,1 опре-

деляются инерционностью транзисторов Т и Тн и продолжительностью перезаряда паразитных емкостей.

Транзисторный ключ с квазилинейным резистором. Недос-

татком рассмотренного выше ключа является то, что Uвых1 не достигает уровня напряжения питания Ес, т.е. Uвых1 < Ес. Причиной

этого является запирание нагрузочного транзистора Тн по затвору. Чтобы обеспечить фиксацию выходного потенциала Uвых1 на уровне Ес, надо предотвра-

тить преждевременное запирание Тн путем повышения потенциала его затвора Uзн до уровня

ходной потенциал Uвых1 фиксируется на уровне Ес, т.е. Uвых1 = Ес. В этом заключается основное отличие ключа с квазилинейным резистором от ключа с нелинейным транзистором.

Транзисторный ключ на комплементарных парах. Схема ключа на комплементарных парах МДП-транзисторов (дополняющих типов проводимости) приведена на рис. 2.11,а. В этой схеме в качестве ключевых элементов используются два транзистора: Тп с п-каналом и Тр с р-каналом.

50