Наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора
Использование транзистора в ключевом режиме
но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает . Правила приведены для транзистора p-n-p-типа , но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:
Принцип работы трназистора
- 1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал , чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
- 2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как . Обычно диод база – коллектор открыт , а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
- 3. Каждый характеризуется максимальными значениями токов и напряжений . В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
- 4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор I К прямо пропорционален току базы I Б и соблюдается следующее соотношение:
данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.
Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.
Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h 21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.
Расчёт ключевой схемы
1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор :
U pit – напряжение питания,
R К – сопротивление в коллекторной цепи.
2. Рассчитывают базовый ток :
3. Рассчитывают сопротивление базового R б:
Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях : насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора , когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде блуждающих токов , да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление R БЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В . Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.
Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.
Пример использования транзистора в ключевом режиме
Теория это хорошо, но теория без практики - это просто сотрясание воздуха.
Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 показана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для наглядности- с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.
Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что напряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника- если соотношение 2 >IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напряжение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!
В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет такой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реально можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еледует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?
Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме
Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяется к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались - чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенциал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзисторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полностью - лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень неприятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).
Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не надо - лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротивление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как указано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот резистор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую - примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «земле» или «висит в воздухе».
Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают - даже в очень интересной во всех отношениях книге повсеместно встречается эта ошибка.
Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к питанию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой книге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распространенные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.
Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвертирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигналу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеется - на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертирует сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному режиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке - то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.
Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлингтона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру самостоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэффициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до нескольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обязательно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение между базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величину от обычного транзистора - то есть 1,2-1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных транзисторов может составлять несколько килоом.
Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а - транзистор Дарлингтона; б - параллельное включение транзисторов
На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема параллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допустимого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естественно, не происходит- суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.
Транзисторные ключи выполняются на биполярных или полевых транзисторах. В свою очередь ключи на полевых транзисторах делятся на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с управляющим р-га-переходом.
Ключи на биполярных транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима - статический и динамический.
В статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки). При этом коллекторный ток определяется только тепловым током.
При использовании ключа в логических интегральных схемах, в которых обычно применяются транзисторы типа п-р-п, запирающее напряжение положительно и в этом случае имеет место только "условное" запирание транзистора, когда его эмиттерный переход смещен в прямом направлении; однако уровень действующего на его входе напряжения меньше порогового уровня, равного около 0,6 В, и коллекторный ток транзистора относительно мал, т.е. составляет лишь единицы процентов от тока открытого транзистора.
В открытом состоянии ключа на его входе высокий уровень напряжения (сигнал логической единицы). При этом возможны два режима работы открытого транзистора - работа в линейной области выходной характеристики или в области насыщения.
В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном, при этом для кремниевых транзисторов напряжение на эмиттерном переходе составляет около 0,7 В и коллекторный ток практически линейно зависит от тока базы.
В области Насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении и изменение тока базы не приводит к изменению коллекторного тока. Для кремниевых транзисторов ИС напряжение на смещенном в прямом направлении р-n-переходе составляет около 0,8 В, для германиевых оно равно 0,2...0,4 В.
Насыщение ключа достигается увеличением тока базы. Однако при некотором его значении, которое называется базовым током насыщения „, дальнейший рост тока базы практически не приводит к росту коллекторного тока насыщения, при этом напряжение на коллекторе (с учетом коллекторной нагрузки) составляет несколько десятков или сотен милливольт (в ИС около 0,1...0,2 В). Одной из важных характеристик ключа в режиме насыщения является параметр 8 - коэффициент насыщения, равный отношению 1кн/1бн- На границе насыщения 8=1. С увеличением коэффициента насыщения ключа увеличивается его нагрузочная способность, уменьшается влияние различных дестабилизирующих факторов на выходные параметры ключа, но ухудшается быстродействие. Поэтому коэффициент насыщения выбирается из компромиссных соображений, исходя из условий конкретной задачи.
Взаимодействие ключей друг с другом осуществляется через элементы связи. Если уровень напряжения на выходе первого ключа высокий, то на входе другого ключа должен быть уровень, при котором второй ключ открывается и работает в заданном режиме, и, наоборот, если первый ключ открыт, то на входе второго ключа должен быть достаточно низкий уровень, при котором второй ключ закрыт. Цепь связи оказывает существенное влияние на переходные процессы, возникающие при переключении, и, следовательно, на быстродействие ключей. Используемые в ключевых устройствах элементы связи показаны на рис. 8.10.
Ключевой каскад на рис. 8.10, а представляет собой каскад по схеме с ОЭ, на входе которого включен резистор Rb, обеспечивающий при заданном входном напряжении Ui требуемый ток насыщения базы
где Ub.=(0,7...0,8) В - напряжение база-эмиттер открытого транзистора (здесь и далее имеются в виду кремниевые транзисторы); S=1,5...2 - коэффициент насыщения; В - коэффициент усиления транзистора по току; и,н=(0,1...0,2) В - напряжение на коллекторе открытого транзистора; Ucc - напряжение питания.
Выберем в качестве примера ключевой каскад, используемый в микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Для них Ucc=5 В, нормируемое минимальное входное напряжение логической единицы Ui=2,4 В. Следовательно, при наихудшем сочетании паоаметоов из (8.6} получаем тпебуемое сопоотивление резистора:
Когда с предыдущего каскада поступает сигнал логического нуля Ui=0,2 В, транзистор закрыт не полностью. Кроме того, к указанному значению входного напряжения добавляется и падение напряжения на сопротивлении в цепи базы от коллекторного теплового тока. Для компенсации этих составляющих сигнала логического нуля и обеспечения при этом режима отсечки транзистора в классической схеме ключевого каскада предусматривается источник компенсирующего тока, образованного резистором Rbz и источником напряжения -Ub.
Показанный на рис. 8.10, а конденсатор Си называется ускоряющим, он предназначен для повышения быстродействия ключа. Благодаря ему увеличивается отпирающий базовый ток в момент появления сигнала логической единицы и ускоряется процесс запирания транзистора при сигнале логического нуля, поскольку в этом случае ускоряющий конденсатор будет создавать на базе запирающее напряжение отрицательной полярности.
Второй метод повышения быстродействия транзисторного ключа заключается в применении отрицательной обратной связи (рис. 8.10, б). Сущность способа заключается в предотвращении насыщения транзистора за счет использования в цепи отрицательной обратной связи диода VD. Пока напряжение база-коллектор больше падения напряжения на сопротивлении Ro, этот диод заперт, обратная связь отсутствует. При увеличении входного сигнала (и соответственно входного тока) увеличивается и ток коллектора. При достаточно большом входном сигнале напряжение база-коллектор становится равным падейию напряжения на сопротивлении резистора Ro, диод VD отпирается и начинает действовать отрицательная обратная связь. Теперь рост базового тока мало влияет на режим транзистора, так как значительная часть входного тока протекает в этом случае непосредственно через диод и транзистор не переходит в режим насыщения.
Рассмотренный метод применительно к интегральным микросхемам реализуется с помощью диодов Шотки, подключаемых параллельно переходу база-коллектор транзистора, при этом такая комбинация в интегральном исполнении составляет единую структуру - транзистор Шотки.
Существенного повышения быстродействия ключа на рис. 8.10, б можно добиться только при использовании диодов, имеющих малое время восстановления. Если применять низкочастотные диоды, в которых велико время рассасывания заряда, накопленного в базе, то эффект от введения нелинейной обратной связи будет незначителен. В этом случае диоды Шотки незаменимы. Они имеют малое время восстановления (не более 0,1 нс), низкое напряжение отпирания (около 0,25 В) и малое сопротивление в открытом состоянии (около 10 Ом). При применении диодов Шотки отпадает необходимость во введении дополнительного напряжения смещения. Это обусловлено тем, что диод отпирается при более низком напряжении между коллектором и базой, когда транзистор еще находится на границе активного режима.
Недостатки ненасыщенного транзисторного ключа сводятся к следующему:
1. Падение напряжения на открытом ключе больше, чем в насыщенном режиме (порядка 0,5 В).
2. Ухудшается помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии, в результате чего различные помехи, например, скачки напряжения питания, приводят к изменениям напряжения на транзисторе.
3. Температурная стабильность ненасыщенного ключа значительно хуже, чем у насыщенного.
Рассмотрим простейший транзисторный ключ (рис. 8.11). Напряжение питания ключа выбрано небольшим (0.5 В), чтобы можно было продемонстрировать на экране осциллографа падение напряжения на открытом ключе. На рис. 8.11 представлена также лицевая панель функционального генератора с установленными режимами его работы.
Результаты моделирования схемы на рис. 8.13 приведены на рис. 8.14, откуда видно, что падение напряжения на открытом ключе при токе коллектора около 0,5 мА составляет 40 мВ (при напряжении на базе около 0,8 В), т.е. является достаточно большим, что является серьезным ограничением при использовании таких ключей в коммутаторах аналоговых сигналов.
Рис. 8.11. Простейший ключ на биполярном транзисторе
Ключи на полевых транзисторах с управляющим р-га-переходом применяют в различных коммутаторах аналоговых сигналов. Их существенными преимуществами перед ключами на биполярных транзисторах являются:
1) малое остаточное напряжение на ключе в проводящем состоянии;
2) высокое сопротивление в непроводящем состоянии и, как следствие, малый ток, протекающий через закрытый ключ;
3) малая потребляемая мощность от источника управляющего напряжения;
4) достаточно хорошая развязка между источником управления и источником коммутируемого сигнала;
5) возможность коммутации электрических сигналов низкого уровня (порядка микровольт).
Базовые схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом показаны на рис. 8.13 . Коммутируемый сигнал подается на вход Ui и снимается с выхода Uo (Rn - сопротивление нагрузки). Сигнал управления подается на вход Uu. Для запирания ключа на затвор транзистора подается напряжение, которое должно превышать напряжение стока и истока на величину, большую напряжения отсечки на 2...3 В, но не превышающую для конкретного транзистора предельно допустимых значений.
В закрытом состоянии сопротивление ключей достаточно велико (более 10" Ом). Оно определяется не только сопротивлением канала, но и током обратно смещенного р-п-перехода затвор-сток. В закрытом состоянии емкость между управляющим электродом и цепью переключаемого сигнала составляет 3...30 пФ.
В открытом состоянии ключа напряжение на управляющем электроде близко к нулю и зависит от значения коммутируемого напряжения Ui и сопротивления нагрузки Rn. Это обусловлено тем, что при увеличении напряжения на истоке транзистора и неизменном потенциале затвора напряжение затвор-исток отлично от нуля и транзистор частично заперт, при этом сопротивление сток-исток увеличится и падение напряжения в канале сток-исток возрастет. Для ключа, работающего в режиме прерывателя, когда напряжение Ui может меняться в широких пределах, это является существенным недостатком. Поэтому в таких случаях необходимо применять схемы, обеспечивающие автоматическую стабилизацию напряжения между затвором и каналом. На схемах рис. 8.13 эту роль выполняет последовательно включенный в цепь затвора диод VD, который для запирающего напряжения включен в прямом направлении. Если напряжение управления выбрать больше максимально возможного значения коммутируемого напряжения, то при подаче открывающего напряжения р-га-переход затвора открывается, а диод VD закрывается. В этом случае при изменениях коммутируемого напряжения р-n-переход останется открытым и сопротивление его канала останется неизменным. Для этой же цели в схеме на рис. 8.13, б между истоком и входом ключа дополнительно включается высокоом-ный резистор R. Используемый в схеме на рис. 8.13, а конденсатор С предназначен для ускорения процесса перезарядки емкостей затвор-исток и затвор-сток.
Схема для исследования ключа на полевом транзисторе показана на рис. 8.14, а. Кроме собственно ключа в схеме используется функциональный генератор в качестве источника коммутируемого сигнала с внутренним сопротивлением Ri, осциллограф для контроля сигнала на входе (канал А) и выходе (канал В) ключа, вольтметр для измерения сигнала управления Uu на выходе цепи управления, состоящей из ключа на биполярном транзисторе VT2 и переключателя Z, управляемого одноименной клавишей клавиатуры. В положении переключателя, показанном на рис. 8.14, а, на базу транзистора VT2 подается через резистор R1 сигнал условной логической единицы от источника коллекторного питания Ucc. При этом транзистор VT2 открыт и на его выходе формируется низкий потенциал (73,7 мВ) сигнала управления, при котором основной ключ на транзисторе VT1 должен быть открыт, что и подтверждается результатами осциллографических измерений на рис. 8.14,6.
На экране осциллографа (рис. 8.14, б) зафиксированы двухполярные входной (А) и выходной (В) сигналы. То, что сигналы двухполярные, подтверждается выбором режима работы функционального генератора (установка OFFSET - наличие постоянной составляющей) и осциллографа, где установки Y POS показывают, что осевые линии смещены на 2 деления вверх для канала А и на 2 деления вниз для канала В.
Из осциллограмм на рис. 8.14, б видно также, что выходной сигнал несколько меньше входного. Для измерения этой разницы зажим заземления осциллографа
GROUND, который по умолчанию подключается к общей шине (по этой причине такое подключение в большинстве случаев и не показывается), подключим к каналу В (см. рис. 8.15, а). Такое подключение позволяет измерить падение напряжения коммутируемого сигнала на исследуемом ключе. Результаты осциллографических измерений для этого случая показаны на рис. 8.15, б, откуда видно, что падение напряжения коммутируемого сигнала на ключе составляет около 170 мВ (двойная амплитуда), причем сигнал асимметричен примерно в соотношении 1:3, т.е. для отрицательного и положительного сигналов сопротивление ключа различно. Дополнительные исследования схемы на рис. 8.15, а показали, что падение коммутируемого сигнала на ключе и его асимметрия существенно зависят от напряжения отсечки полевого транзистора (параметр VTO в окне характеристик транзистора). После увеличения этого напряжения до -10 В для разностного сигнала были получены результаты, которые представлены на рис. 8.15, в, откуда видно, что падение коммутируемого сигнала на ключе уменьшилось до 72 мВ, а асимметрия - до 5 мВ, что в 13 раз меньше по сравнению с предыдущим случаем. Следовательно, для получения удовлетворительных результатов при разработке коммутатора аналоговых сигналов на базе полевого транзистора с управляющим р-n-переходом необходимо выбирать транзисторы с большим напряжением отсечки, что позволит получить более линейную передаточную характеристику.
МДП-ключи могут быть реализованы на МДП-транзисторах как с индуцированным, так и со встроенным каналом. Однако последний тип МДП-транзисторов нашел ограниченное применение на практике, поэтому дальнейшее рассмотрение проведем применительно к МДП-ключам с индуцированным каналом.
Базовые схемы МДП-ключей показаны на рис. 8.16. На рис. 8.16, а показана схема простейшего ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом р-типа. Для отпирания транзисторов рассматриваемых схем на их затвор нужно подать отрицательное напряжение Ui, превышающее напряжение на остальных электродах на величину, большую порогового напряжения затвор-исток Ugsh, при котором и создается (индуцируется) токопроводящий канал, характеризующийся уменьшением сопротивления по мере увеличения (до предельно допустимого) напряжения затвор-исток U,„ когда сопротивление канала минимально. При этом в первом приближении можно пренебречь падением напряжения на транзисторе и считать, что потенциалы стока и истока у открытого транзистора приблизительно одинаковы.
Сопротивление индуцированного канала Ra. при заданных напряжениях Up, и Up,h определяется графически с помощью выходных характеристик или аналитически из приближенного выражения:
Удельная крутизна транзистора; е" - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между затвором и полупроводником; е - диэлектрическая проницаемость вакуума; M - подвижность носителей заряда; d - толщина диэлектрика под затвором; z - ширина канала; L - длина канала; U"dsh, - эквивалентное пороговое напряжение.
Типичное значение К°60 мкА/В, эквивалентное пороговому напряжению U"dsh. отличается от Udsh, вследствие того, что сопротивление канала Rd зависит также от напряжения на подложке Ц, в соответствии с выражением: U"dsh=Udsh+GUb, где G - коэффициент влияния подложки, равный отношению приращения напряжения Ug. к изменению напряжения на подложке Чь при постоянном токе стока. Для схемы на рис. 8.16, a U"dsh=Udsh. поскольку подложка соединена с истоком.
Следует заметить, что при интегральном выполнении ключа на рис. 8.16, а в качестве сопротивления нагрузки стока Rd используется МДП-транзистор, что позволяет существенно уменьшить занимаемую ключом площадь, поскольку резистор в интегральном исполнении занимает значительно большую площадь, чем транзистор.
МДП-ключ на рис. 8.16, б отличается от своего предшественника тем, что его входное (коммутируемое) напряжение в общем случае может быть разнополярным, однако для этого требуется специально сформированный сигнал управления. Анализ этого ключа показывает , что коэффициент передачи коммутируемого сигнала зависит от величины его напряжения. Для уменьшения погрешности, возникающей в результате наличия нелинейности коэффициента передачи, целесообразно увеличивать сопротивление нагрузки Rn.
Схема для исследования ключа по схеме рис. 8.16, а показана на рис. 8.17, а. Кроме МДП-ключа она содержит источник питания подложки +Ub и два источника управления +Uu и -Uu, которые поочередно подключаются к затвору транзистора с помощью переключателя Z. При подключении к затвору транзистора источника +Ub передача коммутируемых сигналов через ключ прекращается. Результаты моделирования схемы на рис. 8.17, а при указанных на ней значениях параметров показаны на рис. 8.17, б.
Для измерения падения коммутируемого напряжения на ключе подключим зажим заземления осциллографа ко входу канала В. Из результатов осциллографических измерений (рис. 8.17, в) видно, что падение напряжения на ключе составляет около 24 мВ, а асимметрия - 1 мВ, что заметно лучше по сравнению с ключом на полевом транзисторе.
Контрольные вопросы и задания
1. Если рассматривать транзисторный ключ как усилительное устройство, то к какому классу таких устройств его можно отнести по режиму работы?
2. В схеме ключа на рис. 8.11 установите напряжение питания 10В. Исследуйте зависимость падения напряжение на открытом ключе Ukn от тока коллектора при изменении сопротивления Rk от 10 кОм до 100 Ом. Напишите формулу для расчета коллекторного тока.
3. В схеме ключа на рис. 8.11 исследуйте зависимость напряжения на коллекторе транзистора при напряжении питания 10 В и коллекторном сопротивлении 100 Ом от коэффициента усиления тока транзистора В, который задается в окне его параметров. Напоминаем, что перед редактированием параметров компонента необходимо организовать отдельную библиотеку, а затем скопировать в нее модель интересующего Вас компонента.
4. С помощью схем на рис. 8.14, а и 8.15, а исследуйте зависимость выходного сигнала от управляющего напряжения (задается изменением напряжения питания Ucc).
5. Для схемы на рис. 8.15, а исследуйте зависимость падения напряжения на ключе коммутируемого сигнала и его асимметрии от напряжения отсечки полевого транзистора и амплитуды коммутируемого сигнала. При выполнении первой части задания придерживайтесь рекомендаций п. 3.
6. В схеме МДП-ключа на рис. 8.17, а установите предельные значения напряжений на подложке и затворе МДП-транзистора, обеспечивающих коммутацию однополярных и двухполярных сигналов.
7. С помощью схемы на рис. 8.17, а исследуйте зависимость падения напряжения на МДП-транзисторе коммутируемого сигнала от напряжения на подложке и затворе.
Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение электронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.
Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады, в первую очередь каскад с общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу такого каскада (рис. 3.4, а) в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных цепей (см. § 2.2).
На рис. 3.4, б приведена выходная характеристика транзистора, на которой нанесена нагрузочная линия, пересекающая оси координат в точках .
В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях:
1. Состояние (режим) отсечки («ключ разомкнут»). При этом через транзистор протекает минимальный ток.
Рис. 3.4. Транзисторный ключ: а - простейшая схема; б - траектория рабочей точки
Рис. 3.5. Схемы замещения транзистора в режимах отсечки (а) и насыщения (б)
Это состояние соответствует точке А на диаграмме рис. напряжение на транзисторе .
Транзистор в режиме отсечки может быть представлен схемой замещения рис. 3.5, а, содержащей только один источник тока , включенный между базой и коллектором.
Для того чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие отсечки: сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора или для n-p-n транзистора выполнить условие
Мощность, теряемая в режиме отсечки на транзисторном ключе, мала, так как мал ток.
2. Состояние (режим) насыщения («ключ замкнут»). Минимальное напряжение на транзисторе соответствует точке В на диаграмме рис, 3.4,б.
Ток через транзистор ограничен резистором и определяется
Физические процессы в транзисторе при малых рассмотрены в § 1.5. В режиме насыщения оба перехода тран. зистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжения между электродами транзистора малы. Транзистор в режиме насыщения представлен схемой замещения рис. 3.5, б, которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что «транзистор стянут в точку»).
Режим насыщения достигается уже при . Дальнейшее увеличение тока базы не изменяет тока в коллекторной цепи. Таким образом, условие насыщения транзистора записывается в виде
Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (3.3) выполнялось при .
Величина называется коэффициентом насыщения транзистора.
Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе, мала, так как мало напряжение. Напряжение приводится в справочниках, для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым
При работе транзисторного ключа переключение из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с полупроводниковыми устройствами, рассмотренными в гл. 2.
Часто применяется схема транзисторного ключа, показанная на рис. 3.6, а. При подаче положительного напряжения . транзистор входит в режим насыщения. При отсутствии входного напряжения источник напряжения , связанный с базой транзистора через резистор обеспечивает режим отсечки.
Рассмотрим пример расчета ключа рис. 3.6, а.
Дано: Транзистор с параметрами . В качестве нагрузки используется резистор . Транзистор должен быть насыщен при . При транзистор в режиме отсечки.
Рис. 3.6. Транзисторный ключ с двухполярным питанием (а) и его схемы замещения в режимах отсечки (б) и насыщения (в)
1. Начнем расчет с режима отсечки. Транзистор заменим схемой рис. 3.5, а. Тогда базовая цепь ключа может быть заменена схемой на рис. 3.6, б. Напряжение создается двумя источниками: источником напряжения и источником тока методом суперпозиции и найдем
Условие отсечки (3 1) можно записать в виде
Наихудшим с точки зрения запирания транзистора является случай, когда . Найдем
Примем с запасом для более надежного запирания кОм.
2. Перейдем к режиму насыщения. Транзистор заменим схемой замещения рис. 3.5, б, тогда базовая цепь схемы ключа сводится к схеме рис. 3.6, е. Ток базы создают источники напряжения . Снова воспользуемся методом суперпозиции
В виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор - эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.
Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база - эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.
Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.
Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.
Рисунок 1. Входная характеристика транзистора
Эти два состояния - насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!
Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».
Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер - бетта» может достигать 1000 и более раз.
Рисунок 2.
Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, - обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.
Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.
Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.
Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база - эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.
При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).
Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база - эмиттер) 5В - Uбэ = 5В - 0,6В = 4,4В.
Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.
Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»
Назначение этого резистора - надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.
Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить - просто замкнули вход всего каскада на «землю».
Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.
Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к .
Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.
Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.
