Транзисторный ключ с диодной фиксацией.
Другой способ повышения быстродействия состоит в устранении насыщения транзисторного ключа, которое может быть достигнуто фиксацией коллекторного напряжения на уровне Еф >Uкн, при Еф << Ек .
В исходном состоянии при Uвх = 0 транзистор VT1 и диод VD1 закрыты. При подаче отпирающего импульса токи базы Iб и коллектора Iк начинают возрастать, а напряжение Uк уменьшается. Ток коллектора возрастает за счет источника коллекторного напряжения Ек. В момент достижения напряжением Uк величины напряжения опорного источника Eф диод VD1 открывается и напряжение на коллекторе фиксируется. Дальнейшее увеличение тока базы Iб1 приводит к увеличению тока коллектора Iк, но теперь за счёт опорного источника Еф.
Ток коллектора может значительно превысить значение тока насыщения Iкн, однако ток через резистор остается постоянным IR = (Eк – Eф)/Rк Iкн, т.е. транзистор не может попасть в насыщение.
При выключении ключа Uк = +Eф до тех пор, пока ток не уменьшится до значения
IR = (Eк – Eф)/Rк,
диод VD1 не закроется. Это вызывает задержку изменения коллекторного напряжения, что накладывает ограничение на амплитуду входных импульсов напряжения или тока.
Недостаток такого ключа является меньшая амплитуда выходного напряжения Uвых Eк - Eф.
Транзисторный ключ с нелинейной ОС.
В этой схеме за счет нелинейной отрицательной обратной связи исключается насыщение транзистора. Принцип действия основан на ограничении величины базового и коллекторного токов на уровне, близком к их граничным значениям Iбн и Iкн.
Номиналы R и Rб рассчитывают так, чтобы при токе базы, близком к току насыщения выполнялось условие UVD1 < URб.
В исходном состоянии Uвх<0, транзистор VT1 и диод VD1 закрыты. При поступлении отпирающего импульса транзистор VT1 начинает открываться под действием увеличивающегося тока Iвх=Iб1. Одновременно по экспоненциальному закону возрастает коллекторный ток. Напряжение на резисторе Rб увеличивается, а напряжение на коллекторе транзистора Uк уменьшается. Учитывая полярности напряжений URб и Uк, можно показать, что UVD1 уменьшается.
Когда URб + Uбк станет равным UVD1, диод VD1 откроется. С этого момента вступает в действие обратная связь, которая в значительной мере изменяет токораспределение в ключе. Ток Iб1 ограничивается на уровне, близком к току насыщения Iбн, хотя ток Iвх может продолжать увеличиваться.
Ток IR достигает значения, близкого к Iкн, и также ограничивается на достигнутом уровне. Ток Iк может продолжать увеличиваться за счет нарастания входного тока по цепи:
UвхR VD1VT1.
После открывания диода можно записать UVD1 = URб +Uбк, откуда Uбк = UVD1- URб0,
т. е. Uбк будет всегда отрицательным, поэтому переход транзистора VT1 в режим насыщения становится невозможным.
Часто резистор Rб заменяют диодом с прямым напряжением, большим, чем у диода VD1. Обычно такой диод выбирают кремниевым, если диод является германиевым, то применяют последовательно включение однотипных диодов.
Транзисторный ключ с диодом Шотки.
В исходном состоянии Uвх<0, транзистор VT1 и диод VD1 закрыты. Если в процессе открывания транзистора потенциал коллектора становится ниже потенциала базы, диод открывается и на нем устанавливается прямое напряжение. Поскольку это напряжение меньше 0,5 В, то коллекторный переход практически закрыт, а следовательно, не возникает режима насыщения и связанных с ним двойной инжекции и накопления избыточных зарядов. Благодаря этому при закрывании транзистора исключается задержка, вызываемая рассасыванием избыточного заряда.
Этот ключ характеризуется высоким быстродействием. К недостаткам следует отнести более высокое остаточное напряжение на коллекторе транзисторе в открытом состоянии, которое обычно составляет 0,2-0,4 В.
Схема симметричного триггера. Принцип работы.
Состоит из двух идентичных транзисторных ключей, охваченных перекрестной положительной ОС. Выход первого ключа соединен со входом второго, а выход второго ключа – со входом первого.
Триггером называется устройство с положительной обратной связью (ПОС), которое имеет два состояния устойчивого равновесия и может скачкообразно переходить из одного состояния в другое под воздействием управляющего напряжения.
Наибольшее распространение получил триггер на основе многокаскадных ключей с ПОС. Если все ключи триггера реализованы по идентичным схемам, то его называют симметричным.
Симметричный триггер. Эквивалентная схема. Условия нахождения транзистора в режимах отсечки и насыщения.
Полная схема :
Триггер имеет два состояния устойчивого равновесия: VT1 в режиме насыщения, VT2 в режиме отсечки и наоборот.
Пусть в исходном состоянии VT1 в режиме насыщения, а VT2 в режиме отсечки. Эквивалентная схема имеет вид.
Для выполнения условия насыщения транзистора VT1 необходимо:
Iб1 >Iбн = Iкн / = Ek / (Rk * ).
Из эквивалентной схемы:
Iбн = (Eк - Iкбо*Rк)/(Rк+R) - Eб/Rб Eк/(Rк*).
Для обеспечения нахождения транзистора VT2 в режиме отсечки необходимо выполнение условия:
Uбэ<0; Uбэ = - Eб*R/(R+Rб) + Iкбо*RRб < 0,
откуда
Eб*R/(R+Rб) > R*Rб/(R+Rб)*Iкбо; Eб > Rб*Iкбо.
Так как триггер выполнен по симметричной схеме, то условия насыщения и запирания в другом состоянии аналогичны.
Симметричный триггер. Этапы переключения триггера.
Полная схема :
Триггером называется устройство с положительной обратной связью (ПОС), которое имеет два состояния устойчивого равновесия и может скачкообразно переходить из одного состояния в другое под воздействием управляющего напряжения.
Наибольшее распространение получил триггер на основе многокаскадных ключей с ПОС. Если все ключи триггера реализованы по идентичным схемам, то его называют симметричным.
Рассмотрим процесс перехода триггера из одного состояния устойчивого равновесия в другое под воздействием закрывающего импульса, поданного на базу первого транзистора. Условно этот процесс разбивают на четыре этапа.
Первый этап. Рассасывание избыточных носителей в области базы VT1. Внешних изменений в схеме не наблюдается. Заканчивается выходом VT1 из насыщения и восстановлением усилительных свойств.
Второй этап. Переход транзистора VT2 из режима отсечки в активный режим и восстановление усилительных свойств.
Третий этап. Выполняются условия регенерации; k1*k21, k1+k2=2.
Триггера скачкообразно переходит из одного состояния устойчивого равновесия в другое:
Iб1 Iк1 URk1 Uk1 Iб2 Iк2 URk2 Uk2 Iб1.
Заканчивается закрыванием транзистора VT1 и прекращением действия ПОС. Перестают выполняться условия возникновения генерации.
Четвертый этап. Устанавливаются коллекторные напряжения VT1 и VT2. Время установления UK VT1 определяется временем заряда конденсатора С по цепи:
+Eп Rк C VT2 -Eп.
Для уменьшения этого времени необходимо уменьшать постоянную времени C*Rк. Напряжение на коллекторе VT2 стремится к нулю со скоростью, зависящей от величины базового тока VT2 к моменту окончания этапа регенерации. Чем больше базовый ток, тем меньше время установления, тем больше должна быть величина C*RK.
Для возвращения триггера в исходное состояние необходимо подать на базу открытого транзистора запускающий импульс отрицательной полярности.
Выходной импульс имеет длительность, равную периоду повторения запускающих импульсов.
Схема триггера Шмитта. Принцип работы.
Триггер Шмитта или несимметричный триггер с эмиттерной связью используют для преобразования синусоидального сигнала в импульсное, как пороговый переключатель и т.д.
Триггер Шмитта. Условия нахождения транзистора в режимах отсечки и насыщения.
Триггер Шмитта или несимметричный триггер с эмиттерной связью используют для преобразования синусоидального сигнала в импульсное, как пороговый переключатель и т.д.
При отсутствии входного сигнала транзистор VT1 находится в режиме отсечки, а транзистор VT2 - в режиме насыщения. На резисторе RЭ формируется напряжение
URЭ = UЭ2 = ЕП *RЭ /(RЭ +RК2),
а на базе первого транзистора
UБ = ЕП *R2 /(R1 +R2).
Параметры резисторов R1, R2, RЭ и RК2 выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие:
UVT1БЭ = UБ - UЭ2 < 0.
В этом случае транзистор VT1 находится в режиме глубокой отсечки, а ток коллектора равен
IК1 = IКБ0.
Резистор R рассчитывают из условия нахождения транзистора VT2 в режиме насыщения.
Рассмотрим процесс увеличения входного напряжения. С его ростом состояние схемы не будет меняться до тех пор пока UVT1БЭ <0. Как только входное напряжение достигает такого уровня, что UVT1БЭ >0, то транзистор V1 выйдет из режима отсечки и начнется процесс перехода триггера в другое состояние:
UVT1БЭ IБ1 IК1 URК1 UК1 UБ2 IБ2 IК2 IЭ2 URЭ UVT1БЭ .
Транзистор VT1 переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 – в режим отсечки.
Напряжение, при котором происходит переброс триггера, называется напряжением срабатывания Uсрб.
Если теперь уменьшать входное напряжение, то обратное опрокидывание триггера произойдет не в точке Uсрб , а при несколько меньшем напряжении Uотп, которое называется напряжением отпускания.
Параметры компонентов схемы выбирают так, чтобы ток насыщения транзистора VT2 был больше тока насыщения транзистора VT1 (обычно RК1= (2..3)RК2 ). Поэтому UЭ2 > UЭ1, а Uсрб >Uотп.