Цифровая электроника
.pdf
31
RЭ - регулирующийэлемент,вкачесткоможетороговыслибоупать
биполярныйтран |
зист,либоп транлевой |
зистор.О |
бщимдлянихявляетсято,что |
транзистобязанырабвключевомтатьрырежиме.
Рассмотримосновнпостроениясхемключейынабиполярныхтранзисторах:
А)СхемасОЭ:
+E
|
|
|
|
RH =RК |
|
|
Rб |
Б |
К |
|
|
Uвх |
|
Э |
iк |
Uвых |
|
iб |
|
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
UБЭ ≈ 0,6 0,7V - длягерманиевыхструктур.
0,3 0,4V - длякремниевых.
Биполярныйтранзистор:
прямое |
|
|
обратное |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
задаетнаправлениетока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
n+ |
|
p |
|
n |
|
К |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Э |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
- основноеуравнениеработы |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
+ + |
|
J Э |
= Jб |
+ J к |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
биполярноготранзистора |
|
||||
J Э |
Jб |
|
|
Jк |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если Uвх >тоблагодарявозникновению0, |
|
Jб ≠согласноосновного0, |
уровня, |
|||||||||||||
обязавозникнутьы |
|
|
|
|
|
Jк и Jэ . Приэтом |
|
Jк = β iб , β - статический коэффициентпередачи |
|
|||||||
токадлясхемыОЭ. |
|
|
|
|
|
|
Тогда графическое соотношемеждувходивыходнымымие |
|
||||||||
напряжениями следующее: |
|
|
|
|
||||||||||||
32
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
Jб |
»Uвх |
|
|
|
|
|
Rб |
|
|
t0 |
t1 |
t |
|
|
Uвых |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+E |
|
|
|
|
DU =iK ×RH |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
Ключ закрыт |
|
Ключ открыт |
Ключ закрыт |
|
|
Транзистор в режиме |
|
|
|||
(режим отсечки) |
|
|
|||
(режим отсечки) |
|
|
|||
|
насыщения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДлядиодовШотки |
|
: 0,1 0,15 В. |
|
|
|
Когдапоявитсятокбазы,обязаны |
|
появиться |
iЭ ,и |
iК . |
|
Разностьпотенциалов,кот яврая |
|
итсяздесь |
- этопадениенапряжения |
||
сопротивлении. |
|
|
|
|
|
Илиэтовеличесл(еепровестичерезна |
|
iб ): |
|
||
U = βiб RH
Этирежимытранзиявляютсярао длянпостроениявойключей.
Каквииздиаграммно,е |
слипривонятьимани |
е,ч тологическойединице |
соответствысокийуро,алогическомуеньуетминимуму |
|
– низкий,тоданныйключ |
являетсяинвертирую |
щим,т.едополнительноре |
ализуетлогичоперациюНЕскую |
(инвертор).
КлючисОЭнаходятширокоеприменениедляуправлэлементамния ииндикации коммутационнымиустройствами, качествежепреобразователейлогических
уровней.
Другоеширокоеприменени |
еключа – получевходногоустройства,соие дным |
сопротивлением ≈ Rб .
Б)СхемасОК:
|
|
|
|
|
33 |
|
+E |
|
Eэдс. |
|
|
Rб |
|
|
RВH =0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх |
|
Uвых |
|
|
|
iЭ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
RH |
|
|
|
|
ИсточникЭДСисточник |
|
|
токаразличаютсявнутреннимсопротивлением. |
|
|
Уистокачника |
R |
→ ∞ . |
|
|
|
|
BH |
|
|
|
|
Рассмотримработутаключаогографически: |
|
|
|
|
|
Uвх |
|
|
|
|
|
i |
»Uвх |
|
|
|
|
б |
Rб |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t0 |
|
|
t1 |
t |
|
|
|
|
|
||
Uвых |
|
|
|
|
|
Uвых =iЭ ×RH |
|
|
|||
t0 |
|
|
t1 |
t |
|
|
|
|
|
||
Обязанпоявиться |
JЭ ,ноегоп явлениеприведеткпоявлению |
|
Uвых = iэ RH . |
||
Ноеслиучесть,что |
|
iэ |
≈ iб β ,тоданнустройствосуществляетусил |
ение |
|
мощностисигналаприпрактнеиамплзческивыхеннсигтудеойналаого |
|
|
|
|
|
относительновходного. |
Поэтомутакоеустр |
ойствочастоназывают |
эммитерным |
||
повторителем. |
|
|
|
|
|
Ключявляетсянеин (ертирующимидно |
|
|
издиаграмм,т.е.логическаяединицаравна |
|
|
логическойединиценавыходе). |
|
|
Данныйтипключейиспользуютвтехслучаях,когда |
|
|
34
необходимопостроиимпулустрбьсноевходнымльшимйствосопротивлением,
поскольку:
Rвх ≈ Rб + β RH
Uполез ±Rэкв ×iпомех
iЭ »iб ×
Rэкв
В)СхемасОБ:
|
+E |
|
iK |
RH |
|
iЭ |
|
|
RЭ |
Uвых |
|
Uвх |
||
|
Рассмотримработутаключаогографически:
Uвх |
|
|
i |
»Uвх |
|
Э |
RЭ |
|
|
|
|
t |
t1 |
t |
0 |
|
|
Uвых |
|
|
|
|
DU =iK ×RH »iЭ ×RH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|||
t0 |
|
|
|
|
|
|
t1 |
||||
iэ = iб + iк
Еслипренебреч iб ,то iэ = iк ,поэтому U ≈ iк RH ≈ iэ RH .
|
|
|
35 |
Данноеустройствочасто |
используется |
втехслучаях,когданеобх |
одимо |
согласованиенизко |
омнойлиниейсостопроныиемника. |
Поскольку |
Rвх ≈ Rэ ,аего |
можнизкосделатьиливоубратьомным. ще |
|
Сдругойстороныустрпозволяетйство |
|
осуществитьпереходотодного |
уровнясигналакдругому.От |
− Uвх к |
+ Uвых (навходе |
отрицательный,навыход |
е - положитесигна). льный |
Какправилодляэтихцеключей |
|
используется. |
|
|
|
Т.о.применениекаждогоизрассмотренныхвышеключопределяетсй |
|
язаданными |
|
значениямивходногосо |
противле,выходногоия |
сопротив,полвходныхярностьюения |
|
выходных сигналов,необходимреализацииинверсиит..(операциистьюНЕ). |
|
|
|
Применикцифровымустельноб леействам |
часто применяютсяключиОЭ. |
|
|
§ 2.3 ПереходныепроцессывключахОЭ
|
|
+E |
|
|
RH |
Rб |
|
Uвых |
Б |
К |
|
|
|
|
Uвх |
|
Э |
Исходаннымианаллятакихключейявлязасл :дующеется
1) Uвх ,min
Заданныезначминив мальногоя |
ходногонапряжения,достигнувкоторое |
ключ |
полностьюоткр(ежимываетсянасыщения).
2) Uвых ,min
Минимальноезначениевыходного |
нап,вряекогдажключимеиянаходитсяв |
насыщении.
1
3) Uвых ≤ +E
|
|
|
|
|
|
|
|
|
36 |
минимальныепотеривых |
|
одного напряж,когдаключв еотсечкинияжиме. |
|
|
|
|
|
||
4)Максимабыстродействиел. ючаьное |
|
|
|
|
|
|
|
||
Петпараметравыеиудовле |
|
|
творяютсязарасчетаноминаловсопротивления |
|
|
|
|
||
базыисопротивлениянагрузки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Алгоритмтакогорасчета: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВходнаяхарактеристикаключаОЭследующая: |
|
|
|
|
|
|
|
||
J K |
+E RH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iб 4 |
iб1 < iб 2< iб 3 < iб 4 |
|
|
||
|
|
|
|
iб 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iб 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
линия нагрузки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iб1 =0 |
|
|
|
|
|
|
Uвых, min |
|
|
+E |
U K |
=U вых |
|
|
|
|
|
|
D Uвых, min |
|
|
||||
|
Область |
|
|
Область |
|
|
|
|
|
|
насыщения |
Рабочая область |
отсечки |
|
|
|
|
|
|
|
ключа |
|
|
|
|
|
|
|
|
Длявыполнени яусловияраб2 точкаая |
– левая. |
|
|
|
|
|
|||
Каквидноизграфика |
|
, ключевойрежимсоотдвумкрайниметствуетобластям |
|
|
|
|
|
||
работытранзистора. |
В идеальномслучае |
врабочейобластионнаходиться |
|
|
|
не должен. |
|||
Uвых ,min достигаетсятогда,когдам |
|
ксимальныйтокпоступаетвбазу, |
|
|
|
|
липутем |
||
увеличения R ,чтобы уменьшитьнаклонлиниинагрузки.Ноувел чение |
|
|
|
R |
приводитк |
||||
|
Н |
|
|
|
|
|
|
Н |
|
росту |
Uвыхmin ,котороеравно |
|
Uвыхmin ≈ RH iобр.коллектора . |
Поэтомупрасчетеи |
|
||||
транзисторногоключавыбирзнкоеютчение |
|
|
R ,чтобып |
омаксимуму |
удовлетворить |
||||
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
условие23. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выбортранзисторного |
элементаключазавершен. |
|
|
|
|
|
|||
37
Дляудовлетусловиянадо1оренияыполнитьрасчет |
|
|
|
|
|
|
|
|
Rб изследующих |
|||||||||||
соотношений: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ЗаконОма: |
iб |
= |
iк |
|
= |
+ Е R H |
|
|
|
|
|
|||||||||
β |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β |
|
|
|
|
|
|
|
||
Этбудокобеспечентзначениемт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
: |
||||||||||
i = |
Uвх |
=> U |
min,вх |
= R |
б |
i |
б |
= |
Rб |
|
Е |
|
||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
б |
Rб |
|
|
|
|
|
|
|
|
RН |
|
β |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Откуда R б |
= |
Umin, вх |
β R Н |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Такимобразом, |
|
|
|
Rб |
должнобытьнеболееэтогозначения. |
|||||||||||||||
Резууслдосьтатовия4 общимигаетсяувеличением |
|
|
|
|
|
|
|
ыстродействияключа, |
||||||||||||
которыйна |
прямуюзависитот |
|
|
|
|
|
заряда, накапливаемогобазе. |
|||||||||||||
Рассмотримпричснижениябыстрнупомощдействия |
|
|
|
|
|
|
|
ьюследующихвременных |
||||||||||||
диаграмм: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
38
Uвх ,iвх
На ключ подается напряжение
Uвх |
iб |
= |
Uвх |
|
Rб |
||||
|
|
|
|
t0 |
t |
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
- |
t |
|
Q |
|
|
|
Q =Q (1-e RС |
) |
||
базы |
|
|
б |
0 |
|
|
|
|
|
|
Q0¢ |
Причем Rб подобрано так, |
|||
|
iк |
|
что транзистор уходит в |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
глубокое насыщение |
|
||
U |
|
|
|
Q |
-1 |
t |
|
вых |
|
|
разряд =Q ×e R С |
|
|||
|
|
|
б |
0 |
|
|
|
|
отсечка |
|
|
|
Rб |
Барьерная |
|
|
|
|
|
|
емкость |
||
|
|
|
|
|
|
||
Uвых ,min |
tзадержки |
tсреза |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
t ) |
|
|
||
Q = Q (1 − e− |
|
|
|
|||
RС |
|
|
||||
б |
0 |
|
|
|
|
|
При t →∞, Qб = Q0 |
|
|
||||
Достигнувнекоторзначения1,мыдостигнемго |
iK = iK max = |
E |
||||
RK |
||||||
|
|
|
|
|
||
Т.о. воздействнаключимпульснсигналаприводитекпоявлениюготрёхвремён,
котоограничиваютыебыстродействиеключа:
1) |
tф – длительностьфронта,ограничивает |
f max . |
|
2) |
tзадержки ,кото роеудлиняетвремянахожденияключавнасыщении |
. |
|
3) |
tсреза,которое такжеог |
раничиваетчаст |
отувоздействияимпульсногосигнала. |
Такимобразом,чтобыувеличитьбыстроключадеегоидеальнымлайст, вие |
|
|
|
необходсвесткнулюэ времримо |
ени,ограничивающиебыстродействиеключа. |
||
Длясведекмитрёхнивремёнямуму:
используюттриосновныхприёма:
1) Использованиевбазеускоряющихемкостей:
Действ,еслподвибтаельновидаокзуть:
imax
iб.стац
39
tф , tзадержки , tсреза,вцифровойэлектронике
1 |
2 |
3 |
t |
|
|
imin |
|
|
|
|
|
|
тоток |
imax быстрозарядит,токзу |
|
|
|
|
|
imin наоборот,приведёткминимумувремени |
|
рассзасыврядбазе. ния |
|
|
|
|
|
|
|
|
Приэтомеслиподобратьзначение |
|
|
|
|
|
|
iб.стационарное ,равноетакомузначениютока |
|
коллектора iкол , прикотранзистороромнедонас, избзарядывточщеный |
базе |
|||||||
накапливатьсянебудет. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Qбазы |
|
|
|
|
|
и |
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
езем |
|
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
iб.max |
~ iб.стац |
|
|
|||||
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
t |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
+E |
|
Суск. |
RK |
Uвх |
Rб |
|
|
|
|
iб |
Заряд С |
=Uвх |
|
i |
|
|
б |
Rб |
|
|
Разряд С
Данныйдостаточнопроприёмлреализоваинтегральнойжно.Поэдляому увеличениябыстродействия ключей,частоиспользуютсхемыдиодомвцепиобратной связи.
2) Ключсускоряющимдиодом:
+E
RK
Dускор.
U D |
Uвых |
Uвх |
R1 |
Rб |
|
Основнаяидеязаключаетсяследующе м:приподачеимпульсат..(
закрытивесьтокидётбазу,чтообеспечиваетбыстроенасыщени
падения Uвых наступаетмомен,когдадиодоткрывается,иветок, ьоздаваемый
течётчерезнегопрактическиминуябазу.
Дальнейшийпринципускоренияключааналогиченпредыдущему.
iб = |
Uвх |
(дооткрывания |
D). Потдиоткроетсямд |
, и: |
|
R1 + Rб |
|||||
|
|
|
|
40
iб. ≠ 0),диод
етранзистора.Помере
Uвх ,