6. Применение интегрирующих цепей

Интегрирующие цепи применяются

1. для получения сигнала, пропорционального интегралу от входного напряжения;

2. для увеличения длительности сигналов.

Учет R_Гприводит к улучшению качества интегрирования. Паразитная емкость нагрузки приводит к увеличению постоянной времениT и тоже улучшает качество интегрирования.

При подаче входного сигналаe(t)=E выходное напряжениеU_m=, где_R=. Отсюда видно, что с уменьшениемR_НнапряжениеU_m падает. Постоянная времениT = C(R||R_H)падает, что приводит к ухудшению выполнения условий интегрирования. Коэффициент передачиK(p)=уменьшился.

7. Ограничители импульсных сигналов

2. Транзисторные ключи

Под ключевой схемойпонимают устройство, основное назначение которого состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки.

Для правильной работы схемы к ключу предъявляют следующие требования:

1. малый ток через ключ в разомкнутом состоянии;

2. малое остаточное падение напряжения на ключе в замкнутом состоянии;

3. высокое быстродействие: быстрое включение и выключение.

По типу используемых полупроводниковых элементов ключи можно разбить на следующие классы:

1. диодные ключи;

2. ключи на биполярных транзисторах:

1. насыщенные ключи;

2. ненасыщенные ключи;

3. ключи на полевых транзисторах:

1. ключ с линейной нагрузкой (с активным сопротивлением);

2. ключ с нелинейной нагрузкой (ключ на двух транзисторах с одним типом канала);

3. комплиментарная пара (ключи с разными типами каналов);

4. тиристорные ключи;

5. оптоэлектронные ключи.

1. Насыщенный ключ на биполярном транзисторе

В схеме, представленной на рис.2.2 роль ключа выполняет транзистор, роль нагрузки — сопротивлениеR_К.

1. Ветвь с источником E_СМвводится для обеспечения закрытого состояния транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим работы ключа от источникаE_СМс сопротивлениемR_СМприe_Г=0 называется статическим режимом работы. При этом

I_К=I_К0^’,I_Б= –I_К0.

2. При отсутствии цепи смещения и при большом R_Бполучим режим с оборванной базой:

I_Б=0;I_К=I_К0^’=I_К0(1+).

Условие запирания для n-p-nтранзистораU_БЭ0.

Если подать на вход импульс положительной полярности E₁ (рис.2.4), то появляется ток базы

I_Б1=>0.

Этот ток открывает транзистор (на рис. 2.3 — верхняя характеристика). Точка 1’скачком перемещается в точку 2. При дальнейшем увеличении тока (I_Б1) точка 2 не меняет своего положения. Таким образом,I_БН— минимальный ток базы, необходимый для насыщения транзистора.

В точке 2 I_К=I_КН=I_БН+I_К0^', и приU_КЭН0I_К==I_БН+I_К0^’.

При условии I_К0^’<< I_КI_БН.

Чтобы транзистор был насыщен, нужно подать ток I_Б>I_БН=. В знаменателе этого выражения стоит_min, потому что при повышении температурыувеличивается, что улучшает выполнение условия насыщения транзистора.

В исходном состоянии схемы U_КЭ(1’) = E_К–I_К0^’R_К.

2. Переходные процессы в транзисторе при его включении и выключении

Для анализа переходных процессов в транзисторе при его включении и выключении рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения е_Г(рис.2.5). Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы, т.е. длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю.

На интервале времениt < t₀ключ закрыт, и входной импульс напряжения отсутствует; рабочая точка находится в положении 1­'(рис.2.3). Токи коллектора и эмиттера одинаковы:i_K(0) = I_K0', i_Э(0) = i_K(0) = I_K0'. Напряжение на транзистореU_КЭ=E_K – I_K0'R_K.

Смомента времени t  t₀на базе транзистора действует импульс положительной полярности е_Г= Е₁ >0, что приводит к появлению включающего тока

, (2.1)

при условии, что R_Б r_ВХ.ТР.. Кажущийся ток коллектораI_КАЖ=I_Б1это такой ток, который протекал бы через коллектор, если бы тот не насыщался, т.е. работал в усилительном режиме. Ток коллектораi_К(t – t₀)нарастает по экспоненте:

, (2.2)

где _= 1 / 2f_постоянная времени транзистора, включенного по схеме ОЭ. Выражаяf_=f_/ (1 +), можно получить выражение для постоянной времени_=_(1 +), где_= 1 / 2f_.

В момент времени t = t₁транзистор входит в насыщение, и ток коллектора в этот момент

i_K(t₁) = I_KH = I_БН + I_K0'. (2.4)

Так как ток, включающий транзистор, I_Б1больше токаI_БН, то после включения транзистора в момент времениt₁в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей (в данном случаеэлектронов). Чем больше ток базы, тем больше избыточный заряд. При токе, равном по величинеI_Б1, появляется граничный зарядQ_ГР, пропорциональныйI_БН. Ток эмиттераi_Э = i_K + i_Б. Напряжение на транзистореu_КЭ(t)=E_K – i_K(t)R_K, приt > t₁ напряжениеu_КЭ(t > t₁) = U_КЭН.

Смомента времени t  t₂на базу транзистора подается импульс отрицательной полярности е_Г= Е₂ <0, что приводит к появлению выключающего тока

, (2.5)

при условии, что R_Б r_ВХ.Н, гдеr_ВХ.Нвходное сопротивление насыщенного транзистора. Но транзистор сразу выключаться не будет, т.к. прежде нужно удалить из базы накопленный избыточный заряд электронов, т.е. на интервале времени t₂ – t₃за счет выключающего токаI_Б2происходит рассасывание избыточного заряда в базе. Только вмомент времениt = t₃, когда заряд в базе равен граничному, начинает уменьшаться ток коллектораi_К.

В момент времениt = t₄ транзистор запирается, т.е. попадает в режим отсечки. Токи и напряжения транзистора в этот момент времени равны:

, (2.6)

где I_ЭОток закрытого эмиттерного перехода.

Таким образом, переходный процесс в транзисторном ключе состоит из следующих интервалов:

1. Время включенияt_ВКЛ=t­₁ – t₀, во время которого формируется передний фронт входного импульса;

2. Время задержки выключения ключаt_ЗАД=t­₃ – t₂, во время которого рассасывается избыточный заряд в базе;

3. Время выключенияt_ВЫКЛ=t­₄ – t₃, во время которого ток коллектора спадает от значенияI_КНдоI_К0.

Определим время включения, время выключения и время задержки выключения ключа.

При t = t₀ ток i_K(t₀) = I_K0', приt = t₁ ток i_K(t₁) = I_KH = I_БН+ I_K0'. Подставляя эти выражения в (2.2), получим

, (2.6)

откуда можно найти время включения:

. (2.7)

Если , то, и выражение дляt_ВКЛможно разложить в степенной ряд, взяв только первые слагаемые:

. (2.8)

Время включения можно уменьшить или увеличением сопротивления R_K, или уменьшением Е_К(что вызовет уменьшение токаI_БН).

На интервалеt₂ – t₃происходит рассасывание избыточного заряда в базе, а кажущийся ток транзистора уменьшается отi_КАЖ(t₂) = I_Б1+I_K0'доi_КАЖ(t₃) = I_KH = I_БН+I_K0'. Ток коллектора на этом интервале меняется по экспоненциальному закону:

. (2.9)

При t = t₃ ток i_K(t₃) = I_KH, откуда можно найти время задержки:

,

. (2.10)

Числитель выражения под знаком логарифма в (2.10) больше знаменателя, т.к. I_Б1/I_БН= q > 1, гдеqкоэффициент насыщения ключа, который обычно выбирают величинойq= 2…4, чтобы транзистор был наверняка насыщен. При увеличении тока базыI_Б2время задержки уменьшается. С математической точки зрения это можно объяснить тем, что при увеличении тока базы знаменатель под знаком логарифма в (2.10) растет быстрее числителя. С физической точки зрения это можно объяснить тем, что с ростом тока выключения быстрее рассасывается заряд в базе, следовательно, и время задержки сокращается.

На интервале времени t₃ – t₄ток коллектора меняется по экспоненциальному закону:

. (2.11)

При t = t₄ ток i_K(t₄) = I_K0, откуда можно найти время задержки:

.

Считая, что (I_K0 – I_K0) << I_Б2, получим упрощенное выражение для времени выключения

. (2.12)

Из (2.12) можно видеть, что чем больше ток выключения I_Б2, тем меньше время выключенияt_ВЫКЛ, и чем больше токI_БН, тем больше время выключенияt_ВЫКЛ.

Существуют следующие способы повышения быстродействия ключа:

1. Увеличить токи включения и выключения I_Б1иI_Б2;

2. Снизить величину избыточного заряда в базе, т.е. получить такой базовый ток, который изменяется как на рис.2.6, где представлена идеальная кривая базового тока.

Кривую базового тока, близкую к идеальной (рис.2.7), можно получить при помощи форсирующей цепочки, подключенной к базовой цепи транзистора (рис.2.8). В этом случае ток включения, т.к. емкость не может измениться скачком. Затем конденсатор начинает разряжаться, и ток базы транзистора уменьшается до величины тока выключения, конденсатор при этом играет роль источника напряжения.

Для выбора величины емкости к конденсатору предъявляют следующие требования:

1. К моменту времени t₂конденсатор должен успеть полностью зарядиться. Длительность импульсаt_И3С₁= 3T_З(T_З— постоянная времени заряда конденсатора).

2. 

   К моментуt₅ прихода следующего запускающего импульса емкость должна успеть полностью разрядиться. При закрывании транзистораr_ВХрезко возрастает. Постоянная времени разрядаT_Р= С > T_З.

3. Для того, чтобы транзистор быстрее включался величину емкости выбирают больше, но, чтобы конденсатор успевал разрядиться,

Q = Cu_C(t₂) = Q_ГР=I_БН _, (2.13)

где I_БН— ток базы насыщения.

Если R₂ >> R₁, то можно считать, что к моменту времениt₂конденсатор зарядится примерно до напряженияE₁:

u_C(t₂)  E₁  E_К.

СE_К=_=_I_КН=_, (2.14)

откуда С_КР=— критическое значение емкости. (2.15)

Значение емкости С₁выбирают С₁= (24)С_КР.

При наличии в схеме (рис. 2.8) цепи смещения запуск осуществляется импульсами положительной полярности. Величина входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, r_ВХ(Э)=r_Б+r_Э(1+), много меньше величинR_БиR_СМ. Ток базы при включении транзистора равен

I_Б1=, (2.16)

а выключающий ток I_Б2 создается только цепью смещения и равен

I_Б2==(2.17)

При наличии в схеме форсирующей цепочки

I_Б2= –.