Комп’ютерна електроніка (стр. 11 из 14)

Тому

можна представити як:

Використовуючи додаткові джерела зміщення, які вмикаються послідовно або паралельно до навантаження, можна змінювати напруги комутації ключа.

5.3 Транзисторні ключі

На відміну від діодних ключів, в транзисторних схемах сигнал керування і інформаційний сигнал є розділеними на фізичному рівні.

При паралельному ввімкненні, в транзисторних, так як і в діодних схемах використовується баластний опір Rб, що забезпечує додатковий спад напруги при комутації (ввімкненні ключа).

Вихідні характеристики.

Транзисторний ключ характеризується режимом роботи при якому основними його станами є режим відсічки або режим насичення. Активний режим присутній тільки при перекомутації ключа з одного стану в інший. Реально значення напруг відсічки та насичення відрізняється від ідеальних значень, при яких Uвідс=Uж, а Uнасич → 0, крім того, як видно з лінії статичного навантаження, режим насичення в граничному випадку вже досягається при певних струмах бази, коли різниця потенціалів Uкб =0. Подальший перехід від точки Тн.гр до точки Тн вказує про так зване глибоке насичення транзистора.

Коефіцієнт насичення

; в оптимальних випадках лінію статичного навантаження вибирають так, щоб q=1.5-2.

Лінія статичного навантаження визначається напругою живлення ключа і опору навантаження.

В стані відсічки при нульовому потенціалі на базі в схемі з загальним емітером можливе протікання зворотного струму колекторного переходу Iк0, що може створити додатковий спад напруги на емітерному переході, тому в цьому стані вихідний струм також є відмінним від нуля, а відповідно це так само як і в режимі насичення позначається на швидкодії ключа. В загальному випадку процеси перемикання визначаються двома способами:

1. часом розтікання носіїв заряду з базової області;

2. часом перезарядки бар’єрної ємності p-n-переходу.

5.4 Режими комутації ключів

Швидкодія ключових елементів визначається процесами накопичення неосновних носіїв заряду в базі ключового елементу при ввімкненні прямого напрямку ключа і процесами розтіканні цих носіїв – при закриванні ключового елементу, і тому час перемикання включає як час розтікання носіїв чи їх накопичення, так і час формування заданого рівня напруги. Епюри напруг відображають вказані процеси і зміну сигналів на вході, тобто в базовому колі, і на виході.

Розгортка сигналів при прямому ввімкненні біполярних транзисторів.

При вмиканні транзистора керуюча напруга ек, що подається у базове коло, змінює полярність і амплітуду від Uк.закр до Uк.нас в момент часу t0. Це приводить до початку зростання колекторного струму Iк. Різниця потенціалів Uбе може миттєво зменшитись до нуля, оскільки визначається величиною заряду бар’єрної ємності керуючого переходу транзистора. За певний проміжок часу величина цього заряду зменшиться до нуля, а потім ємність перезаряджається, тобто переполяризовується, в результаті чого на переході база – емітер встановлюється різниця потенціалів Uбе порогове, при якому транзистор вже можна вважати відкритим. Цей процес відбувається за рахунок інжекції носіїв зараду з емітерної в базову область, він триває протягом часу tз, протягом якого Uке практично не змінюється. Починаючи з моменту часу t1, транзистор починає входити в область насичення, тобто Uке експоненційно спадає і струм колектора досягає максимального значення в момент часу t2. Інтервал t2 - t1 називається часом формування фронту вмикаючого імпульсу; tз і tф разом складають ввімкнення транзистора. Момент часу t2, в залежності від вимог до ключової схеми, приймають таким, коли максимальне значення струму колектора або мінімальне значення Uке досягають рівня 0,5 – 0,7 від свого критичного значення.

Подальший інтервал часу tустановки визначає процеси глибокого насичення транзистора. Для швидкодіючих схем стараються зменшити tнас і реалізують схеми, де електронні ключі працюють без режиму глибокого навантаження. Одним з методів реалізації такого режиму є ввімкнення діода Шоткі між базою і колектором транзистора.

Оскільки пряма напруга на діоді Шоткі складає приблизно 0,7-0,8 В для кремнієвих структур, то відповідно різниця потенціалів між базою і колектором транзистора не перевищує цього значення. При перемиканні в закритий стан транзистора, керуюча напруга ек знову інвертується (2 діаграма), але протягом певного часу tрозтікання струм в колекторному колі залишається практично постійним, оскільки опір бази буде мати мінімальне значення до моменту часу t1, поки неосновні носії заряду не перейдуть в колекторну чи емітерну область. Після цього напруга Uке між відповідними електродами транзистора починає зростати до максимального значення, що дорівнює ек. Відповідно струм колектора зменшиться до нуля. При Iк=0,1*Iк.нас, транзистор вже вважається закритим. Тривалість вимикання складається з часу розтікання і часу формування спаду імпульсу.

Застосування діода Шоткі в цьому випадку дозволяє зменшити інтервал розтікання tр, а відповідно і підвищити швидкодію ключа на біполярному транзисторі.

Для корекції величини напруги насичення ключа з бар’єром Шоткі використовують додатково джерела зміщення в колах зворотного зв’язку.

В найпростішому випадку можна використати додаткові резистивні елементи Rб , які при протіканні керуючого струму Iб задають додаткове зміщення Uзм=Iб*Rб, що додається до вальєрної різниці потенціалів на діоді Шоткі, однак в цьому випадку тривалість розтікання носіїв при комутації буде зменшуватись за рахунок зростання постійної часу резистивно – ємнісного кола розрядки, що включає бар’єрну ємність переходу і додатковий опір Rб.

Особливості ключів на польових транзисторах

При комутації польових транзисторів, особливо з вбудованим каналом слід звернути увагу на лінійність передаточної характеристики транзистора, що може працювати як в режимі збудження так і збагачення каналу провідності основними носіями заряду. В цьому випадку при малих рівнях сигналів зберігається лінійна залежність вихідного струму від керуючої напруги, яка має місце в досить широкому інтервалі напруг живлення. Відповідно час накопичення і розтікання носіїв повинен тут відігравати меншу роль порівняно з біполярним транзистором, що має сприяти підвищенню їх швидкодії. Однак, передача керуючого сигналу тут задається через вхідну ємність, а це зменшує швидкодію транзистора. Крім того, при лінійній залежності вихідного струму від керуючого сигналу, основним елементом, який задає і час комутації і амплітуду вихідного сигналу стає опір навантаження Rс.

Тому при оптимізації схеми потрібно узгоджувати два заперечуючи один одного фактори, а саме: для підвищення швидкодії ключа Rс потрібно зменшувати, а для забезпечення надійної комутації, тобто більшої різниці сигналу між ввімкненим та вимкненим станом Rс потрібно збільшувати. Для вирішення цих проблем використовують в М-Д-М ключах опір навантаження у вигляді нульового транзистора, ввімкненого в якості джерела постійного струму. Проте найкращі результати одержані при використанні комплементарної пари транзисторів, тобто транзисторів з однаковими параметрами але протилежними типами провідності. Крім того, що вхідний сигнал в даному випадку одночасно є відкриваючим для одного типу транзисторів і закриваючим – для іншого, такий транзистор досить зручно реалізувати в інтегральному виконанні, тому останнім часом найбільш широкого застосування знайшли біполярні транзистори з діодом Шоткі і комплементарна М-Д-М логіка (ТТЛШ, КМДМ).