Простой транзисторный ключ

Схема простого транзисторного ключа показана на рис. 3. Суть работы ключа состоит в перераспределении (делении) питающего на­пряжения Ек между постоянным сопротивлением резистора Rк и зависящим от входного сигнала сопротивлением транзистора. Когда транзистор открыт и его сопротивление мало, основная часть Ек падает на Rк и на выходе ключа (КЭ транзистора) - сигнал низкого уровня. Если же транзистор закрыт и его сопро­тивление много больше Rк - на выходе сигнал высокого уровня.

Для примера рассчитаем ключ, задавшись условиями, характерными для ключей цифровых ИМС. ТТЛ :ключ должен открываться (транзистор входит в режим насыщения) входным сиг­налом не менее 2,4 В (2,4 В - нижний уровень, принятый для логической еди­ницу микросхем ТТЛ; верхний уровень логической единицы - 5В). При этом на выходе ключа должно быть напряжение Uкэ не более 0,4 В (0,4 - верхний уро­вень, принятый в цифровой технике для логического нуля). Iк не должен быть слишком велик, что характерно для ИМС. Примем Iк не превышающим 5 мА. Ключ должен закрываться (транзистор переходит в режим отсечки) входным напряже­нием, соответствующим уровню логического нуля: 0 В<Uвх<0,4 В. При этом на вы­ходе должен обеспечиваться уровень логической 1: 2,4 В<Uкэ<5 В. Питание ключа осуществляется от источника постоянного тока Ек=5 В.

1) выбор транзистора

Самый общий анализ перечисленных условий показывает, что для их выполне­ния нужен транзистор, способный выдерживать коллекторный ток не менее 5 мА (желателен запас) и напряжение Uкэ не менее 5 В (тоже желателен запас). Например, это может быть кремниевый транзистор n-p-n-типа КТ315И, имеющий следующие параметры: Рк мах=100 мВт, Uкэ проб=60 В, Iк мах=50 мА, Iкбо=0,5 мкА, Bmin=30, fгр=250 МГц, Rкэ нас<45 Ом, где Рк мах - максимально допустимая постоянная мощность рассеяния коллектора.

Uкэ проб -пробивное напряжение между К и Э при разомкнутой цепи базы.

Iк мах - максимально допустимый постоянный ток коллектора.

Iкбо - обратный ток коллекторного перехода при разомкнутом выводе эмиттера (тепловой ток коллектора). Bmin - минимальный коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.

Rкэ нас - сопротивление между К и Э в режиме насыщения.

2) требуемый по условиям Iк задается сопротивлением в цепи коллектора Rк.

Если пренебречь собственным малым сопротивлением насыщенного транзисто­ра, ток через открытый транзистор определится:

Iкн=Ек/Rк; откуда Rк=Ек/Iкн; Рк>5 В/5 мА=1 кОм.

3) нужный ток базы задается резистором в цепи базы Rб.

Обеспечить насыщение транзистора с коллекторным током Iкн=5 мА можно при минимальном базовом токе:

Iбн=Iкн/В.

Для ключей цифровых ИМС характерна работа с высокими степенями насыщения S до 10, т.е. реальный базовый ток задается с большим запасом. Это делается для повышения надежности срабатывания и помехоустойчивости ИМС, что являет­ся одним из основных эксплуатационных требований к микросхемам.

Приняв Вmin=30 и S=5,

Iб=Iбн*S=Iкн*S/Bmin; Iб<5 мА*5/30=0,85 мА.

Входной сигнал действует в контуре Ubx - Rб - БЭ - !_. Пренебрегая со­противлением открытого перехода БЭ,

Iб=Uвх/Rб, откуда

Rб=Uвх/Iб, Rб>2,4 В/0,85 мА=3 кОм.

Следует отметить, что этот расчет не принимает во внимание собственное сопротивление источника входного сигнала, учет которого привел бы к умень­шению расчетного Rб.

4) проверка условия запирания клича.

Переход БЭ закроется и транзистор перейдет в режим отсечки, если Uбэ меньше порогового. Т.к. Unop для кремниевых транзисторов 0,6 В, то при Uвх менее 0,4 В транзистор перейдет в режим отсечки без каких либо дополнитель­ных мер.

5) проверка уровня выходного сигнала.

Через коллекторную цепь закрытого транзистора протекает только Iкбо. Для КТ315И Iкбо=0,6 мкА, а расчетное Rк>1 кОм, тогда падение напряжения на Rк составит в этом случае ориентировочно 0,6 мкА*1 кОм=0,6 мВ. Следовательно, почти все питающее напряжение Ек, приложенное к делителю Rк - КЭ, окажется на закрытом транзисторе: Uкэ=Ек=5 В, что соответствует уровню логической 1.

При расчете мы пренебрегали собственным сопротивлением насыщенного тран­зистора, однако на самом деле для КТ315И Rкэ нас<45 Ом. Мы задали ток через насыщенный транзистор не более 5 мА, тогда Uкэ нас <Iкн*Rкэ нас=5 мА*45 Ом=0,225 В, что соответствует уровню логического нуля.

Следует иметь в виду, что проведений расчет не учитывает собственное со­противление источника питания и источника входного сигнала, сопротивления и емкостные параметры переходов транзистора, а также влияние нагрузки на ра­боту схемы. Однако даже такой упрощенный расчет вполне обеспечивает работоспособность схемы.

Несмотря на простоту схемы, ключ на одном транзисторе редко используется в цифровой технике, т.к. не обладает достаточной нагрузочной способностью -свойством сохранять постоянным уровень выходного сигнала при изменении нагрузки на выходе.

Действительно, пусть в схеме рис. 3 Rк=i кОм. Тогда, как мы видели, в отсутствии нагрузки (выход разомкнут) при закрытом ключе Uвых=Uкэ=Ек=5 В. Однако, ситуация изменится, если на выход схемы включить нагрузку, которая вместе с Rк составит делитель напряжения для Ек. Так, если Rнагр=1 кОм, то Ек поделится пополам между Rк и Rнагр. Тогда Uвых составит 1/2Ек=2,5 В. Если же Rнагр<1кОм, то Uвых может упасть ниже нижнего уровня логической 1 (2,4 В). Простой ключ пригоден для высокоомных нагрузок и малых выходных токов. Кроме того, наличие емкости в нагрузке (практически это бывает почти всегда в цифровой технике) приводит к ухудшению динамических свойств ключа, особенно к затягиванию фронта выходного сигнала, т.к. Снагр заряжается при закрытом транзисторе малыми токами, ограниченными Rк, по цепочке +Ек - Rк - Снагр - !_. Эти недостатки преодолеваются в схеме сложного (составного) ключа.