Схемотехніка транзисторних ключів

Схемотехніка транзисторних ключів (ТК)

Ключовий режим роботи НЕ характерізується только двома его станами: "включено" і "віключено".

Електричні схеми, в якіх вікорістовується Ключовий режим НЕ, назіваються ключами. У ключах, в якості НЕ могут використовуват діоді, біполярні та польові транзистори, лампи з різнімі схемами включення їх електродів.

Розглянемо схему и фізпроцесі в ключі на біполярному транзісторі, Який включень зі спільнім емітером (малий. 1.)

В даній схемі Опір Rk нагружає коло колектора, джерело Е0 Забезпечує закритий (віключеній) стан транзистора VT при відсутності вхідного сигналу U1, Опір R б, обмежує величину вхідного Струму Іб при заданому значенні напруги U1.

На Відміну Від схем лінійніх підсілювачів, де транзистор весь час знаходиться в актівній області, в ключах ВІН знаходится або в стані відсічкі, або в стані насічення. При зміні стану ключа, его транзистор на Деяк годину переходити в активну область. Ключі з такими режимами роботи назіваються насіченімі ключами и характеризуються скроню стабільністю рівнів віхідної напруги U2 як у віключеному так и у включеному стані.

Існують такоже ключі, в якіх транзистор у відкрітому стані знаходиться в актівній області около границі насічення, так звані ненасічені ключі. У них необходимо прійматі Міри по стабілізації віхідної напруги у включеному стані.

Розглянемо фізпроцесі в ключі (малий. 1.), вважаючі его насіченім.

У віхідному стані транзистор ключа закритий позитивною напругою Е0, его теплові Струм Іб0 и Ік0 малі и ними можна знехтуваті, напряжение на колекторі U2? -Ek.

Включення ключа.

При подачі на вхід ключа імпульса відємної полярності (мал.6.1.а.) в момент часу t1 струм бази практично міттєво досягнено значення (опором відкритого переходу Б-Е можна знехтуваті тому rбе << Rб). Під дією цього Струма транзистор ключа переходити з режиму відсічкі в активну область, почінається заряд барєрної ємності колекторно переходу и Накопичення в базі заряду неосновних носіїв. Процес Накопичення заряду в базі супроводжується пропорційнім Йому збільшенням Струма колектора и Зменшення відємної напруги на колекторі (мал1.г.д.)

У момент часу t2 заряд в базі досягає граничного значення, напряжение на колекторі примерно дорівнює 0, а струм колектора становится рівнім Струму насічення

Колекторна перехід в прямому напрямі (тобто зникає) .Почінаючі з цього моменту величина Струма колектора и напряжение на колекторі перестають змінюватісь и ключ переходити в стан "включень" .Почінаючі з t2 в базі продолжает збільшуватісь вищє уровня граничного заряду

(Мал.1.в.), Набліжаючісь до свого стаціонарного значення Qст.

Qст = Іб1 * rн, де

rн-годину життя неосновних носіїв заряду в базі в режімі насічення, а

r - в актівній області

Т.ч. включення ключа, тобто перехід его транзистора зі стану відсічкі в стан насічення відбувається НЕ міттєво, а з Деяк затримки в часі tВКЛ = tф (6.1.В.), яка рівна годині Накопичення в базі граничного заряду.

Віключення ключа. Процес віключення ключа почінається в момент t3 Закінчення відємного імпульса, підведеного до его входу (мал.6.1.а.). Під дією напруги Е2 в колі бази вінікає струм зворотнього напрямку:

Під дією цього Струма и в наслідок рекомбінації носіїв почінається розсасування заряду в базі и транзистор послідовно переходити з області насічення в активну область, а з неї в область відсічкі.

Ключ залішається у включеному стані после Закінчення імпульса на его вході ще Деяк годину, необхідній для розсмоктування надлишково заряду в его базі до уровня Qгр. При цьом напряжение на его колекторі залішається рівна нулю, а струм колектора рівнім Струму насічення Ікн. У момент t4 заряд в базі граничного значення, транзистор переходить в активну область, в Якій Струм ІБ и ІК почінають зменшуватісь, а разом з ЦІМ начинает збільшуватісь відємна напряжение на колекторі. Процес розсмоктування заряду закінчується переходом транзистора в область відсічкі.

Таким чином маємо, что перехід ключа и стан "віключено" в стані "включено" відбувається НЕ міттєво, а за годину t = tф, необхідній для Накопичення в базі заряду, Рівного граничному, а зворотній перехід в стані "віключено" - за годину t = tp + tc (сумарний час спаду и розсмоктування), необхідній для розсмоктування заряду в базі. У практичних схемах, Які Використовують ключі, та патенти, прійматі СПЕЦІАЛЬНІ схемотехнічні Міри для Зменшення годині перехідніх процесів, тобто для Підвищення швідкодії ключів.

Для СКОРОЧЕННЯ перехідніх процесів в ключі та патенти підвіщіті ШВИДКІСТЬ Накопичення и розсмоктування заряду в базі и одночасно знізіті рівень граничного заряду, що не допускаючі при цьом Накопичення в базі надлишково заряду. Вирішення цієї задачі досягається збільшенням прямого (при включенні) и зворотнього (при віключенні) струмів бази Зменшення Струма колектора в режімі насічення, а такоже введення в схему ключа зворотнього звязку, запобігає перехід транзистора при включенні в стані насічення.

Аналіз показує, что змінення того чи Іншого параметра ключа на БТ НЕ может привести до одночасного СКОРОЧЕННЯ трівалості tф, tp, и tc, так як умови їх Зменшення є заперечлівімі. Так, например, Збільшення прямого Струма бази Іб1 для Зменшення tф, приведе до Збільшення надлишково заряду в базі, и відповідно до Збільшення часу tp розсмоктування.

Для СКОРОЧЕННЯ перехідніх процесів в транзисторного ключі на БТ та патенти, щоб струм бази МАВ форму, яка зображена на Мал.2.

Дійсно Короткі Викиди прямого та оберненого Струму бази спріяють більш швидка Накопичення заряду в базі (при включенні ключа) та его розсасуванню при віключенні, что виробляти до Зменшення годині tф и tc фронту и спаду. А величина Струму бази Ібст винна буті такою, щоб у стаціонарному стані транзистор знаходівся на Грані насічення, а збітковій заряд в базі або БУВ відсутній, або МАВ незначна величину, Достатньо

Мал.2

для попередження оберненого переходу транзистора при включенні з області насічення в активну область при зміні зовнішніх умов.

Завдання забезпечення форми Струму бази, блізької до показанної на малюнку 6.2., Вірішується введенням в схему ключа пріскорюючого конденсатора С, Який включається паралельно опору Rб (малий. 6.3.)

Робота пріскорюючого конденсатора С заключається в слідуючому. Для перепаду напруги U1 розряженій конденсатор представляет коротке замикання, Пожалуйста віключає з схеми Опір R б. У момент часу t1 (3.б) почінається заряд ємності С під дією ЕРС вхідного сигналу Ес Струм Іб1 при цьом Іrб = 0

За мірі заряджання ємності С струм заряджання зменшується, а струм в опорі Rб растет и в момент Закінчення заряджання пріскорюючого конденсатора t2 = (3-4,6) С (Rc +? Бе) досягає свого стаціонарного значення Величина Ібст вібірається такою, щоб у базі при включенні ключа не накопічувався надлишково заряд.

При віключенні ключа створюється зворотній струм бази, Який протікає під дією ЕРС джерела зміщення Е2 и напруги зарядженості пріскорюючого конденсатора. За мірі розряджання конденсатора струм бази спадає до нуля. Форма Струму бази показана на малюнку3.б. и около до тієї, что показана на малюнку 6.2.

Величина ємності пріскорюючого конденсатора винна вібіратіся строго визначених. Основним крітерієм ее Вибори є величина заряду, Який накопічується в ее електрична полі, яка винна буті рівна граничному заряду в базі транзистора.

Критично значення ємності пріскорюючого конденсатора візначається виразі

Скр = ?? / Rк,

тут ?? - Постійна часу транзистора в схемі ПРО, чисельного дорівнює середня годині прольоту неосновних носіїв в базі транзистора.

На практике величину ємності пріскорюючого конденсатора вібірають рівною

С = (2 ... 4) СКР.

При більшій велічіні ее ємності при включенні ключа та малою трівалістю вхідного імпульсу, заряджання пріскорюючого конденсатора НЕ встігає закінчітіся до моменту переходу транзистора в область насічення и в базу струм заряду вводитися заряд більшій за граничний, тому годину розсмоктування

.

Длительность перехідніх в транзисторного ключі на БТ может буті Суттєво зменшено за рахунок введення в его схему кола нелінійного відємного зворотнього звязку. Варіант схеми такого ключа, Який відносіться до класу ненасіченіх ключів, збережений на мал.4.

Дійсно Короткі Викиди прямого та оберненого Струму бази спріяють більш швидка Накопичення заряду в базі (при включенні ключа) та его розсасуванню при віключенні, что виробляти до Зменшення годині tф и tc фронту и спаду. А величина Струму бази Ібст винна буті такою, щоб у стаціонарному стані транзистор знаходівся на Грані насічення, а збітковій заряд в базі або БУВ відсутній, або МАВ незначна величину, Достатньо так як Rб >> R0 Величина Струму бази Вибори U1 та Rб встановлюється набагато більша Величини Струму бази насічення и в базі начинает Швидко накопічуватіся заряд, Який прямує до величини Qгр. Потенціал колектора Швидко растет и в момент часу t1 (малий. 6.5.б.) діод VD відкрівається и струм, Який протікає через Опір Rк (IRк), зменшується на величину Струму діода. У момент часу t2 діод Повністю відкрівається и величина Струму IRк = Iк- ІД закінчує змінюватіся, что виробляти до фіксації потенціалу колектора на Рівні: Uк = ЄК (Ік-ІД) Rк. Одночасно струм відкритого діода зменшує струм бази, так як віднімається з него, тобто в схемі ключа начинает діяті відємній зворотній звязок по напрузі, Який зменшує коефіцієнт передачі Струму, і значення Струму бази зніжується до уровня І = Ібст. Значення цього Струму обірається таким, щоб заряд, Який накопічується у базі, БУВ Дещо нижчих граничного уровня. Вибори опору R0падіння напруги на ньом, Пожалуйста створюється Струм Іб = Ібст, встановлюється Дещо более Падіння

.

напруги на відкрітому діоді VD. В результате Потенціал бази опіняється вищє потенціала колектора и колекторно перехід залішається зміщенім в зворотньому напрямку, а транзистор ключа не заходити в область насічення. Так як транзистор збіткового заряду в базі відсутній, годину розсіювання в схемі насіченого ключа відсутній, а длительность фронту может буті Зроблено дуже маленькою, Шляхом Збільшення Струму Іб1. Завдяк наявності відємного зворотнього звязку, залішкова напряжение на колекторі відкритого транзистора, хоч и не дорівнює нул., Но Досить стабільна.

На практике вместо резистора R0 ставитися зміщуючій діод VD2 (малий. 6.6.а.) з більшім чем на діоді VD1 падінням напруги на відкрітому переході. Інший варіант ключа з нелінійнім зворотнім звязком показань на малюнку 6.6.б., де відємній зворотній звязок Утворення діодом Шоткі, Який має менше Падіння напруги на відкрітому переході, чем Падіння напруги на р-n переході кремнієвого транзистора. Тому колекторно перехід транзистора ключа при відкрітому діоді Шоткі Повністю НЕ відкрівається, що не допускаючі его переходу в область насічення.

Особливості МДН-транзисторних ключів

Відомі три схеми ключів на МДН-транзисторах: з резистивним НАВАНТАЖЕННЯ (мал.6.в.), з дінамічною НАВАНТАЖЕННЯ (мал.6.г.) и комплементарні ключі, Які віконані на комплементарних транзисторах, тобто транзисторах з каналами протилежних типу провідності ( мал.6.д.)

Найважлівішою перевага ключів на МДН-транзисторах є ті, что величину залішкової напруги на віході включеного ключа можна сделать як завгодно малою, збільшуючі Опір в колі стоку и величину вхідної напруги, яка подається на затвор транзистора Uвх (в резистивних ключі).

У ключі з дінамічною НАВАНТАЖЕННЯ (мал..6.6.г.) Для Зменшення залішкової напруги та патенти Зменшити відношення:

, Де b1 и b2 - удільна крутизна ВАХ транзісторів VT1і

<< 1 VT2.

Тобто в ключах з дінамічною завантаження транзистори VT1 ​​(активний транзистор) и VT2 (навантажувально) повінні буті значний різнімі.

Найважлівішою особлівістю комплементарних ключів є ті, что смороду практично НЕ потребляютя Енергію від джерела живлення Ес, як у відкрітому так і Закритому стані.

Відповідно два ціх стани можна назіваті "Закритий" і "відкрітім" чисто умовно - по відношенню до одного з транзісторівVT1чіVT2 .Дійсно, величина потужності, яка потребляється від джерела Ес, візначається величиною Струма, Який протікає в схемі ключа, а ВІН в обох станах ключа один и тієї ж и дуже маленький и Рівний зворотньому Струму закритого транзистора. В даній схемі при відкрітому ключі Відкритий VT1, а закрітійVT2., А величина, яка потребляє від джерела Ес струм, залішається незмінною и рівною Струму закритого транзистора.

Вихідні Рівні ключа на комплементарних транзисторах розрізняються по напрузі и Досить чітко.

Величина залішкової напруги в МДН-ключах может досягаті Досить малих значень, Які вімірюються одиниць мікровольт и менше.

Швідкодія МДН-ключів обмежена головного чином перезарядом барєрніх ємностей, Які при аналізі процесів, при включенні (заряджанні ємності) та віключенні (розряджанні ємності) заміняються однією Сумарний ємністю Сс:

Сс = Сз + Ссп + Спар + Сзі + Ксзс,

де відповідно

Сз - Ємність затвора, Ссп - Ємність между затвором и підложкою,

Спар - паразитних Ємність монтажних зєднань відносно підложкі (в ІМС - це Ємність металевої розводка),

Сзі, СЗС - ємності металевий затвора відносно областей істока и стоку,

К - від декількох одиниць до декількох десятків, коефіцієнт Міллера.

Для всіх типів ключів головного Шляхом Підвищення швідкодії є Зменшення сумарної ємності Сс При заданій ее велічіні швідкодія підвіщується зі збільшенням струмів заряду и розряда, в частності - зі збільшенням жівлячої напруги.

Автоколівальній мультівібратор

Мультівібратор представляет собою одну з різновідів більш широкого класу так званні спусковий прістроїв, Які ма ють Різні стани рівновагі, як стійкого так и не стійкого.

Рівновагою електрічної схеми назівають такий ее стан, при якому Струм и напруги будь-якому ее елементі залішаються незміннімі.

Стійкою рівновагою назівається стан системи, при якому после зовнішнього малого Поштовх система возвращается у вихідний стан, тобто Струм и напруги вній пріймають вихідні постійні значення.

Нестійкою рівновагою назівається стан системи, при якому, после як завгодно малого зовнішнього Поштовх система виходів з віхідного стану и не возвращается в него.

Стан системи, при якому Струм и напруги в ній Повільно змінюються в часі и приводять систему в Певний Критичний стан, Який приводити до стрібкоподібного виходом системи з цього стану, назівається квазірівновагою. Цей стан только подібний стану рівновагі и є Ніби рівновагою.

Мультівібраторі прізначені для генерування імпульсів, близьким до прямокутна и могут працювати в одному з трьох режімів: чекаючому, автоколівальному и сінхронізації.

Їх ще назівають релаксаційнімі генераторами або релаксаторами.

У чекаю чому режімі, мультівібратор представляет собою двох каскадний підсилювач, замкнутий в два кола позитивного зворотнього звязку, має один стан стійкої рівновагі и один стан квазірівновагі .Перехід зі стійкого стану в стан квазірівновагі відбувається внаслідок зовнішнього запускаю чого імпульса.А повернення в стан стійкої рівновагі відбувається самостійно по збігу Деяк годині, Який візначається параметрами схеми.

У режімі автоколівань стану стійкої рівновагі немає, а є два стани квазірівновагі Які чергуються. Перехід одного з них во второй відбувається автоматично через годину, Який назівається періодом коливання, Який кож візначається параметрами схеми.

У режімі сінхронізації в мультівібраторі існує два стани квазірівновагі, но период коливання візначається періодом повторення сінхронізуючої напруги и Рівний їй або кратній.Прі відсутності сінхронізуючої напруги мультівібратор працює в автоколівальному режімі.

Схема мультівібратора в автоколівальному режімі и часові діаграмі, Які пояснюють Фізичні процеси в ньом показані на мал.6.

Схема автоколівального мультівібратора складається з двох ключів, зібраніх на біполярніх транзисторах VT1 и VT2 р-п-р структура, включена по схемі зі спільнім емітером. Rк1 и Rк2 - опори НАВАНТАЖЕННЯ в колах колекторів VT1 и VT2, R1C1 и R2C2 - елементи часозадаючіх Кіл, Які визначаються длительность генеруючих імпульсів (tі) і Час їх повторення Т (мал.6.7.б.)

Конденсатори С1 та С2 елементи Кіл позитивного зворотнього звязку, Який зєднує відповідно вихід ключа на VT2 з входом ключа на VT1 и вихід первого ключа Із входом іншого. Таким чином в автоколівальному мультівібраторі кола постійного зворотнього звязку являються чисто ємніснімі, что и візначає Відсутність в его схемі, стану стійкої рівновагі.

Відсутність в схемі стаціонарного стану дозволяє почату аналіз фізпроцесів в схемі з довільного стану, и если в результате їх АНАЛІЗУ буде показано, что через Певний час мультівібратор знову опинилась в тому ж стані, то тім самим буде встановлен наявність в ньом періодичних автоколівань.

Нехай, например, в момент часу t1 транзистор VT1 Відкрився и находится в стані насічення, а транзистор VT2 закритий, так як до его бази відносно емітера прикладом напряжение з конденсатора С2 (зарядження Ранее до величини Ек полярністю (+) справа, (-) - зліва) через малий Опір насіченого транзистора VT1.В момент часу t1 конденсатор С1

практично розрядженій до нуля (завбільшки напруги Uб1 на базі Ранее закритого VT1, до якої БУВ зарядженості С1 на момент t1, на увазі его малості можна знехтуваті).

У розглядаємій момент t1 в схемі мультівібратора створюються умови для розряджання и перезаряджання конденсатора С2 и заряджання С1. Розряджання-перезаряджання С2 відбувається по колу: + Ек> ЕБКVT1> C2> R2> -Eк. После розряджання С2 почінається его перезаряджання з полярністю: (+) на лівій обкладці, (-) на правій.

Заряджання С1 відбувається по колу: + Е> ЕБКVT1> C1> Rk2> -Ек. В процесі перезаряджання С2 в Певний момент годині напряжение на ньом полярності справа (+), (-) зліва, яка через Відкритий транзистор VT1 прикладом до ділянки Б-Е VT2.Відкрівання транзистора VT2 приводити до замикання VT1 напругою з конденсатора С1 через малий Опір VT2 Який Відкрився. Процес відпірання VT2 и замикання VT1 відбувається стрібкоподібно. В цей момент перший стан квазірівновагі, длительность которого візначається годиною перезаряджання конденсатора С2 через резистор R2, и Рівний t02 R2C2, закінчується и мультівібратор переходити в стан Другої квазірівновагі, при цьом конденсатор С1 буде зарядженості до величини Ек. Час заряду С1 значний менший годині заряду С2, так як при рівності С1 и С2 зарядження С1 відбувається через Rk2 <

Час Існування іншого стану квазірівновагі візначається годиною перезаряджання конденсатора С1 через R1 и насіченій транзистор VT2: t01 R1C1

У момент часу, Який відповідає закінченню іншого стану квазірівновагі знову состоится стрібкоподібне опрокідання схеми, при якому транзистор VT1 Відкритий и насіченій, а VT2 - закритий. Таким чином в схемі якові розглядаємо, фізпроцесі приводять до автоматичного и періодічного повторення змінень ее станів відносно стану, прийнятя за вихідний, что свідчіть про автоколівальній режим ее роботи.

Період автоколівань в мультівібраторі, нехтуючі трівалістю процесса опрокідування схеми, можна Прийняти рівнім сумарній трівалості годині двох его квазістаціонарніх станів

Т0 = t01 + t02 = 0,7 (R1C1 + R2C2)

Регулювання трівалості імпульсу мультівібратора.

Если віхіднім імпульсом є напряжение, яка знімається з колектора транзистора VT2, то его длительность можна регулюваті зміною постійної часу кола R2C2 с помощью змінного резистора R2 (мал.6.8.). Однако такий способ регулювання краще використовуват при невеликих межах Зміни трівалості віхідного імпульсу, так як регулювання R2 у великих межах может порушіті нормальний режим роботи транзистора VT2.

При збільшенні R2 транзистор VT2 может війт з режиму насічення, если Iб2ЕК / R2

Інший способ регулювання показань на малюнку 6.8..Тут у часозадаюче коло кроме R2C2 входити частина змінного опору Rк1, обмежена положенням его движка, а R2 НЕ змінюється.

Зміна змінного Rк1, що не змінює режим транзистора VT1, так як при будь-якому положенні его движка воно Повністю включено в коло его колектора.

В даній схемі регулювання трівалості імпульсу в основному досягається зміною Величини напруги на конденсаторі С2, Який стрімує транзистор VT2 в Закритому стані во время квазірівновагі. (Малий. 6.9.) Дійсно, в момент замикання VT1 напряжение, до якої зарядження конденсатор С2 Залежить від положення движка Rк1 и дорівнює

Uc2 = Uб2Ek-Ik1 * Rk

При переміщенні движка потенціометра з крайнього нижнього положення вгору величина Uc2 зменшується, експонента UБ2 опускається вниз (мал.6.9.) И длительность імпульса ti спаду

Одним з суттєвіх недоліків розглянутої схеми автоколівального мультівібратора є НЕ прямокутна форма генеруючих імпульсів обумовлена ​​зарядом відповідного часозадаючого конденсатора через резистор колекторно кола.

Цей недолік значний Зменшення в схемі мультівібратора, показання на мал.6.10.а.

У розглядаємій схемі конденсатор С1 во время закритого стану транзистора VT1 відключеній від его колектора Закритим акціонерним діодом VD2 и на Потенціал колектора НЕ впліває.

Заряд С1 відбувається НЕ через Rк2, а через допоміжній резистор Rк2, а конденсатора С2 при Закритому VT1, через Rк1.

При насіченні транзісторів діоді VD1 и VD2 відкріваються и резистори Rк1 и Rк2,

Зменшує величину еквівалентного опору кола колекторів VT1 и VT2. Для Збільшення загрузочної здатності мультівібратора Величини допоміжніх резісторів Rк1 и Rк2 необходимо вібіраті более, чем Rк1 и Rк2. Але, надмірне Збільшення Rк1 и Rк2 и годині заряду З ₁ З _{2 цієї статті} не повінні перевіщуваті годині Існування режиму квазірівновагі в схемі (при сіметрічній схемі половини періода повторення генеруючих імпульсів).