Сложный (составной) транзисторный ключ
Схема составного трехтранзисторного ключа показана на рис. 4. Основная идея сложного ключа состоит в том, что его схема позволяет избавиться или существенно уменьшить коллекторное сопротивление выходной цепи Rк1. Роль делителя выходного напряжения играют транзисторы Т2 и Т1 с включенной параллельно ему нагрузкой. Т1 и Т2 работают в противофазе, а их состоянием управляет транзистор Т3.
Пусть на вход сложного ключа поступает сигнал уровня логической 1 и открывает Т3. Через Т3 начинает протекать ток, который создает на переходе Б транзистора Т1 напряжение большее порогового и вводит Т1 в режим насыщения. На выходе в этом случае получается сигнал низкого уровня. Т2 в это время должен закрыться.
Покажем, что схема рис. 4 действительно обеспечивает напряжение Uбэ2<0,6 В в случае насыщения Т3 и Т1. Транзистор Т1 предполагаем в режиме насыщения, значит оба его перехода открыты и напряжения на них выше порогового 0,6 В. Т3 также в режиме насыщения и напряжение Uкэ3 не более 0,2 В. В контуре КЭ Т3 - БК Т1 - Д - БЭ Т2 действуют четыре напряжения, как показано на рис. 4. По закону Кирхгофа:
Uкэ3+Uкб1-Uд-Uбэ2=О или
Uбэ2+Uд=Uкэ3+Uкб1.
Примем максимальные условия: Uкэ3=0,2 В и Uкб1=0,7 В. Значит, суммарно на переходы БЭ Т2 и Д падает напряжение порядка 0,9 В. Если предполагать, что p-n-переходы диода и Т2 примерно одинаковы (по сопротивлению), то напряжение 0,9 В разделится приблизительно поровну между БЭ Т2 и Д. Uбэ составит около 0,45 В, что меньше порогового и Т2 закрыт. Видно, что диод Д нужен для того, чтобы взяв на себя часть напряжения, уменьшить тем самым Uбэ2 n обеспечить надежность запирания Т2.
Если на вход сложного ключа подан нулевой уровень, Т3 закрывается, ток через него почти не проходит и не создает достаточного падения напряжения на участке БЭ Т1. Т1 закрывается. Т2 в это время начинает открываться вследствие повышения Uкэ3 закрытого Т3, которое определяет смешение Uбэ2. Т2 входит в активный режим, близкий к насыщению, или, при достаточной нагрузке, в насыщение. В любом случае напряжение Uкэ2 невелико (порядка 0,5 В) и основная часть питающего напряжения Ек падает на закрытый Т1, создавая выходной сигнал единичного уровня.
Как видно, в схеме нет необходимости в значительном сопротивлении Rк в цепи коллектора, которое участвовало бы в перераспределении напряжения Ек между выходом (Т1) и Rк, как в схеме простого ключа. В составном ключе Ек распределяется между Т1 и Т2, которые меняют свое состояние и, соответственно, сопротивление в зависимости от входного сигнала. Т1 и Т2 по существу представляют собой управляемый входным сигналом делитель напряжения Ек. Однако небольшое сопротивление Rк1 (порядка 200 Ом) в выходную цепь обычно ставится с целью ограничения тока в транзисторах в момент их переключения из одного состояния в другое. На какое-то время оба транзистора оказываются в активном режиме и ток через них может достигать опасных для транзисторов значений.
В любом случае падение напряжения на Rк невелико и не окажет существенного влияния на уровень выходного сигнала. Сложный ключ имеет лучшую нагрузочную способность, чем простой.
Расчетные условия работы сложного ключа задаем те же, что и для простого. Ориентировочный расчет проводится, исходя из логики работы схемы рис. 4.
Rб3 также, как в простом ключе, задает Iб для Т3 и выбирается такой же величины, что и в схеме простого ключа, т.е. порядка 3 кОм.
rк1 выбирается порядка 200 Ом из соображений, указанных выше.
Rк3 рассчитывается для случая, когда Т3 и Т1 открыты. Тогда основной ток замыкается по цепочке: +Ек - Rк3 - КЭ Т3 - БЭ Т1 - ┴ и ограничивается в основном резистором Rк3. Если задаем ток коллектора Iкн не более 5 мА, то, пренебрегая собственным сопротивлением транзисторов и источника питания,
Rк3=Ек/Iкн; Rк3>5 В/5 мА=1 кОм.
В лабораторных стендах Rк3 имеет номинал 1-2 кОм.
R3 в схемах сложных ключей для ИМС улучшает помехозащищенность схемы. Действительно, хотя в обычных условиях тепловой ток коллектора Iкбо можно не учитывать, но с повышением температуры он существенно возрастает и, если между базой и транзистора T1 окажется значительное сопротивление (это может быть и собственное сопротивление источника тока для T1), то падение напряжения на нем от тока Iкбо может создать условия для облегчении открывания T1 и вызвать ложное срабатывание схемы. Поэтому между Б и Э T1 ставится сопротивление R3 сравнительно небольшого номинала, чтобы падение напряжения на нем от Iкбo в любом случае было невелико. С другой стороны R3 не должно быть и слишком мало, чтобы не зашунтировать переход БЭ Т1. Из этих соображений R3 выбирается порядка 1 кОм.