Ключевой режим работы биполярного транзистора. Ключевой режим работы транзистора

4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов

Ключи на полевых транзисторах, как и на биполярных, могут быть использованы для коммутации источника однополярного (ключи постоянного тока) или разнополярного (ключи переменного тока) напряжения.

Рис. 4.35. Схема коммутатора на полевом транзисторе c управляющим p-n-переходом

Полевые транзисторы широко используются для построения электронных коммутаторов аналоговых сигналов. На рис. 4.35 приведена схема коммутатора на полевом транзисторе cуправляющимp-n-переходом. Для того чтобы транзистор был закрыт, между затвором и истоком должно быть отрицательное напряжение, большеUотс. Поэтому входное напряжение не может превышать (Uупр–Uотс). Транзистор переходит в открытое состояние, когдаUзи = 0. При этомUупрдолжно быть положительным, а диодVDзакрыт. Тогда через резисторR1 ток не протекает иUзи= 0, но и в этом случаеUвхдолжно быть меньшеUупр.

Использование двух разнополярных транзисторов позволяет обеспечить постоянное сопротивление коммутатора, независящее от величины и знака входного (коммутируемого) напряжения.

В интегральной схемотехнике широкое распространение получили коммутаторы на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом. Упрощенная схема такого коммутатора приведена на рис. 4.36.

Чтобы получить больший диапазон коммутируемого напряжения как в положительной, так и в отрицательной области, используются комплементарные полевые транзисторы. Управляющее напряжение должно быть противофазным. Это обеспечивает инвертор. Чтобы перевести коммутатор в положение включенного, надо задать на затвор VT1 положительное, а наVT2 – отрицательное напряжение управления, как показано на рис. 4.36. В этом случаеUзи VT1=Uупр–Uвх,Uзи VT2= –Uупр–Uвх. При увеличенииUвхуменьшается Uзи VT1(сопротивление канала увеличивается). При этом увеличиваетсяUзи VT1(сопротивление канала уменьшается) общее сопротивление остается неизменным. Для выключения коммутатора надо сменить полярность управляющего напряжения, но и в этом случаеUвхдолжно быть не большеUупр.

Рис. 4.36. Схема коммутатора на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом

Аналоговые ключи выпускаются в виде отдельных микросхем в ИС 547КП1, К190КТ1, КР590КН1–КР590КН9 и др.

Ключи на ПТ, предназначенные для коммутации постоянного напряжения, строятся так же, как и на биполярных транзисторах.

На рис. 4.37, aприведена схема ключа на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой, а на рис. 4.37,б– выходные характеристики с построенной нагрузочной прямой.

а б

Рис. 4.37. Ключ на МДП-транзисторе: а – схема с резистивной нагрузкой; б – выходные характеристики с построенной нагрузочной прямой

Характерной особенностью является то, что в статическом состоянии по цепи управления ток не потребляется. Выходное остаточное напряжение (Uост) зависит отRНи при большихRНможет быть меньше, чем в ключах на биполярных транзисторах. Быстродействие ключей на полевых транзисторах определяется перезарядом паразитных емкостей.

В цифровых схемах в основном используется ключ на комплементарных транзисторах (см. рис. 4.38).

Рис. 4.38. Ключ на комплементарных транзисторах

слиUупр= 0, тоVT1 открыт, т. к.UзиVT1= –Е, аVT2 закрытUзиVT2= 0. Выходное напряжениеUвых=Е, и ток, протекающий через ключIост, очень мал. Во втором состоянии, приUупр=ЕUзиVT1= 0, а UзиVT2=Е, VT1 закрыт, аVT2 открыт,Uвых= 0, и в этом состоянии через ключ протекает очень маленький токIост. Для маломощных транзисторовIостравен 10–810–9А. Такие ключи обладают более высоким быстродействием, т. к. заряд и разряд паразитных емкостей происходят через сопротивление канала полностью открытого транзистора.

Полевой транзистор с плавающим затвором

Рис. 4.39. Полевой транзистор с плавающим затвором: З – управляющий затвор; 2 – второй (плавающий) затвор; 3 – диэлектрик

Рис. 4.40. Проходные ВАХ МНОП-транзистора

олевой транзистор с плавающим имеет два затвора. Один – управляющий, как у обычного транзистора, и второй, расположенный между управляющим и подложкой, окружен со всех сторон диэлектриком (рис 4.39). Потенциал второго затвора изменяется в зависимости от заряда в нем, отсюда и название «плавающий». Поскольку диэлектрик выполняют из окиси кремния, а плавающий затвор из нитрида, то такие структуры еще называют МНОП-транзисторами. На рис. 4.40 приведены проходные ВАХ такого транзистора. Когда заряда на плавающем затворе нет, то МНОП-транзистор работает как обычный МОП-транзистор и имеет проходную характеристику с пороговым напряжениемUП1= (23) В. Если на затвор подать высокий потенциал (2830) В, электроны из подложки туннелируют ч

Рис. 4.41. Условное изображение МНОП-транзисторов

ерез тонкий слой диэлектрика и накапливаются на затворе2.Появившийся отрицательный заряд экранирует управляющий электрод. Это приводит к увеличению порогового напряженияUпор=15 В, и проходная характеристика принимает вид2. Так как плавающий затвор окружен диэлектриком, то полученный заряд может храниться десятки лет. Чтобы убрать полученный заряд, надо подать на затвор большой отрицательный потенциал (–30 В), и транзистор возвращается в исходное состояние. Условное изображение МНОП-транзисторов приведено на рис. 4.41. На основе МНОП-структур выполняются интегральные перепрограммируемые запоминающие устройства (EPROM), например флэш-память.

studfiles.net

Ключевой режим работы транзистора

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируются на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки – главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом, качество транзисторного ключа определяется остаточным напряжением на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии и остаточным током через транзистор в выключенном (закрытом) состоянии.

Кроме того, транзисторный ключ должен быть быстродействующим, обеспечивать усиление сигнала по напряжению и мощности, т. к. при передаче информации от элемента к элементу теряется энергия информационного сообщения, а также должен обеспечивать инверсию сигнала, т. к. функционально полный набор логических функций включает инверсию. Поэтому схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивающая инверсию входного сигнала, является наиболее предпочтительной.

На рис. 3.7, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе с ОЭ, а на рис. 3.7, б – его выходные характеристики. Зависимость напряжения на коллекторе Uк от тока коллектора в соответствии со вторым законом Кирхгофа описывается следующим выражением:

(3.18)

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Как известно, любая прямая строится по двум точкам: вначале полагают, что Uк = 0 и находят Iк: Iк = E/Rк. Затем полагают, что Iк= 0, и находят Uк = E. На выходных характеристиках транзистора (рис. 3.7, б) нагрузочная прямая обозначена точками а – б. При работе в ключевом режиме транзистор VT находится в двух крайних режимах: насыщенияи отсечкии выполняет роль ключа в последовательной цепи с резистором Rк и источником питания Е. В качестве входных сигналов обычно используются прямоугольные импульсы.

Рис. 3.7. Транзисторный ключ:

а– схема; б–выходные характеристики транзистора

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока обратное напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Это происходит потому, что увеличение тока базы iб приводит к увеличению тока коллектора iк. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе Rки уменьшится напряжение на участке коллектор – эмиттер транзистора Uкэ. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения

(3.19)

При этом Uкэ = Uбэ, коллектор, как и эмиттер, инжектирует носители тока в базу. База «наводнена» носителями, отсюда и название режима – режим насыщения. Выполнение условия Uкб = 0 называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. При глубоком насыщении Uкб > 0. В базе протекает избыточный ток. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы транзистора в насыщенном режиме к току в граничном режиме:

(3.20)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора по окончанию импульса, т. е. влияют на его быстродействие. Параметром для характеристики режима насыщения транзистора в справочнике приводится сопротивление насыщения , которое определяется наклоном выходной вольт-амперной характеристики транзистора в режиме насыщения:

. (3.21)

У маломощных транзисторов величина от 20 до 60 Ом [12].

При токах мА величина Uкэ.нне превышает 0,4 В. Поскольку в режиме насыщения напряжение Uкэ.ндостаточно малое, то в этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа, как показано на рис. 3,8 а.

Рис. 3.8. Представление логической переменной в виде ключа:

23)Ключевой режим работы транзистора.

Компаратор

Компаратор — устройство сравнения двух сигналов. Компаратор изменяет скачком уровень выходного сигнала, когда непрерывно изменяющийся во времени выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Компараторы бывают цифровые и аналоговые (сравнивает напряжения).

Диоды служат для защиты входов ОУ от перегрузки напряжения. При U = 100В диоды не открываются.

Часто на одном входе компаратора фиксированное Uвх. Компаратор сравнивает входные напряжения и усиливает их разность с Ки = 104—105. Т. е. при малейшем превышении одного сигнала над другим на выходе получаем max сигнал положительной или отрицательной полярности. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений.

На выходе получаем импульсный сигнал.

Мультивибратор. Мультивибратор — генератор периодически повторяющихся импульсов, например прямоугольной формы. Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Данный генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны:

Изменяя и величины R1 и R2 можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

24)Генераторы гармонических колебаний

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменные напряжения требуемой формы. Генератор можно получить из усилителя, охватив его положительной ОС. Автогенераторами называют генераторами с независимым возбуждением.

Для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

Баланс фаз

2.Баланс амплитуд

Генераторы классифицируются на:1)Генераторы гармонических колебаний2)мультивибратор(генератор прямоугольных импульсов)

Генераторы можно построить на:транзисторах, операционных усилителях, или на спец. Микросхемах.

Генератор синусоидальных колебаний на ОУ(LC-генератор)

R2-необходимо для настройки на баланс амплитуд

Недостаток генератора- громоздкость дросселя на низких частотах

RC-генератор с мостом Вина

Недостатки-не высокая стабильность

25)Логические элементы.

Булевы константы («0» и «1»),Булевы переменные (Х1,Х2,…,Хn)Є{0,1},Булевы функции y=f(x1,x2,…,xn) принимают значения 0 и 1. Существуют три основные операции между логическими переменными:

Все цифровые элементы подразделяются на 2 типа:1)комбинированные(без памяти) 2)последовательностные(эл-ты обладающие памятью)

Исключающее ИЛИ (неравнозначность)

А	В	Q=А+В
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Маркировка логических элементов.

Вторая и третья группы в обозначении цифровых ИМС

показывают какой логический элемент перед нами. Например:

НЕ ЛН

ИЛИ ЛЛ

И ЛИ

ИЛИ-НЕ ЛЕ

И-НЕ ЛА

=1 ЛП

Следует заметить, что отдельные логические элементы в микросхемном исполнении в настоящее время не выпускаются

ТТЛ логика.

В ТТЛ операцию «И» выполняет многоэмиттерный транзистор

Элемент ТТЛ имеет не высокое быстродействие. Для повышения быстродействия в ТТЛШ между базой и коллектором транзистора включают быстродействующий переход Шоттки.

КМОП логика.

Достоинства комплементарной МОП – пары – отсутствие резисторов, что позволяет повысить степень интеграции; очень малое потребление тока от ИП, т. к. между плюсом и минусом ИП всегда оказывается транзистор, у которого нет канала.

Недостаток комплементарной МОП – пары: низкое быстродействие

studfiles.net

Работа № ключевой режим работы транзистора - Документ

Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Цель работы - исследовать статические режимы и переходные процессы в схеме простого транзисторного ключа. Продолжительность работы - 3,5 часа.

Теоретическая часть

Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время переходных процессов при переключении из одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах.

Основными параметрами статических состояний ТК являются напряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 12) характеризуется низким уровнем напряжения

Uвых=-Ек+IкоRк-Ек. В режиме насыщения через ТК протекает ток

Uвых=Uкэ0.

Рис. 12. Принципиальная схема транзисторного ключа

сновными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК tз - время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - время рассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.

На рис. 13 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессы в ТK. Время задержки , где вх=RбСвх; Uб0- начальное напряжение на Свх. Длительность фронта определяется по формуле

Рис. 13. Временные диаграммы работы транзисторного ключа

Для удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока от уровня 0.1Iкн до уровня 0.9Jкн ; . В этих формулах (fв- верхняя граничная частота каскада ОЭ), а - коэффициент насыщения. Ток базы, соответствующий границе насыщения,

Время рассасывания заряда в базе , где u - время жизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.

Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд в базе уменьшается до граничного значения Qгр=Iбнu,при котором транзистор переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (tк<tэ) то транзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (tэu < tкu ), то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике Ik и Uк появляется характерный выброс (рис. 13, штриховые линии).

Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить, считая, что процесс формирования заднего фронта заканчивается при Q0. Тогда .

Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит, когда транзистор находится в режима отсечки. Поэтому длительность среза определяется постоянной времени к=RкСк или к=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК (рис. 12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Iб1 и Iб2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другим способом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектора относительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.

Описание макета

Макет, схема которого показана на рис. 14, позволяет исследовать статические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первом случае с помощью переключателя BI возможна подача в цепь базы низкого уровня напряжения от источника G1 с сопротивлением в его -цепи R1. Для измерения постоянных токов и напряжений в цепях ключа используется прибор, установленный на панели лабораторного стенда о пределами измерения тока J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.

Рис. 14. Схема макета лабораторной работы и 3

При исследовании переходных процессов на вход схемы подаются импульсы отрицательной полярности амплитудой не более 15 В от генератора прямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотрена возможность установки в коллекторной и базовой цепях транзистора различных деталей (резисторов и конденсаторов) с целью исследования влияния их параметров на свойства исследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи (переключатель В4),подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2 (переключательВ2), подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ). В схеме установлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fa = I...3 мГц, Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:

R1=75 кОм,	R6=5,1 кОм
R2=3 кОм	R7=10 кОм
R3=,130 Ом.	R8=75 кОм
R4=910 Ом,	C1=10,0 мкф
R5=30 кОм	C2=1000 пФ
	C3=470 пф.

Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.

Задание

1. Измерить статический коэффициент усиления по току транзистора, установленного в ключе.

2. Исследовать статические состояния ТК при различных Rк. Определить величину сопротивления Rк, соответствующую границе насыщения.

3. Исследовать характеристики ТК в динамическом режиме. Выявить зависимости основных параметров переходных процессов tф,tрас,tc от амплитуда входного напряжения. Построить соответствующие графики. Для одного из значений входного напряжения рассчитать- tф,tрас,tc по приведенным формулам. Оценить расхождение расчетных величин и измеренных.

4. Исследовать влияние форсирующего конденсатора на основные параметры переходных процессов.

5. Определить, на какие параметры ТК оказывает влияние конденсатор нагрузочной цепи.

6. Определить, при каких параметрах коммутируемых элементов схемы ТК макета возникает инверсное запирание.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение ключевой схемы?

2. Какими основными параметрами характеризуется ключ?

3. Как зависят параметры переходных процессов от глубины насыщения?

4. Что такое инверсное запирание ТК?

5. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?

6. Как влияет емкость нагрузки на длительность переходных процессов?

7. Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры ТК?

8. Поясните процессы в ТК по временной диаграмме.

Литература

Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - U.: Высшая школа,1982. - 495 с., ил.

Вопросы по ключам.

1 .Чтотакое глубина насыщения транзисторного ключа и на какие его свойства и как она оказывает влияние?

Режим насыщения имеет место при прямом смещении обоих р-п переходов транзистора. При этом падение напряжения на переходах, как правило на превышает нескольких милливольт. На коллекторных характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (см. рисунок). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения Ukэ = Uk нас и тока Iк =' Iк нас. Ток Iк нас называется коллекторным током насыщения. Rнас = Uk нас / 1к нас . где Rmc - сопротивление насыщенного транзистора. Каждой точке линии насыщения соответствует некоторое граничное значение тока базы Iб нас, при котором транзистор входит в насыщение. При насыщении нарушаются соотношения, характеризующие связь между током базы и коллектора в активном режиме. Критерием насыщения является нарушение этого соотношения 1б > 1б нас. Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр -степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительное превышение базовым током того значения 1б нас, которое характерно для границы насыщения: N = (1б -1б нас)/1б нас Иногда оценку глубины насыщения производят с помощью коэффициента насыщения, который показывает, во

сколько раз ток, протекавший в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение. S ? 1б /1б нас При насыщении сопротивление транзистора минимально и практически не зависит от значений 16 и Rk. Оно и является выходным сопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии. Начиная со значений степени насыщения N = 3 .. 5 и выше межэлектродные напряжения транзистора мало зависят от тока базы. Поэтому более высокую степень насыщения применять нецелесообразно. Весьма существенным достоинством режима насыщения является практическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды.

2.Как уменьшить задержку включения ключа?

Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие, которое оценивается скоростью протекания переходных процессов при переключении. Мгновенное переключение транзисторного ключа невозможно из-за инерционных свойств транзисторов, а также паразитных реактивных элементов схемы и проводников. Следовательно для уменьшения задержки включения ключа необходимо использовать транзисторы с минимальной инерционностью и максимально уменьшить паразитные емкости. Кроме того задержка включения транзистора будет тем меньше, чем больше Nmc.

3. Каким образом можно предотвратить глубокое насыщение транзистора в ключе и какова цена достижения этого результата?

Транзистор может переходить из области насыщения в область отсечки миную активную область. Это может происходить, если рассасывание избыточных носителей заряда, накопленных у эмиттерного и коллекторного переходов происходит одновременно. Следовательно, при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшится длительность положительного фронта и транзистор попадет в область глубокого насыщения. Это приводит к увеличению времени обратного переключения. Следовательно ток в момент включения необходимо увеличить, так как это приведет к более быстрому рассасыванию заряда. Но увеличенный ток может привести к инверсному рассасыванию, что нежелательно. Для получения необходимого эффекта в схему добавляют форсирующий конденсатор (на рисунке Сускор). Он позволяет увеличить ток базы на короткий промежуток времени, что приводит к увеличению быстродействия ключа. Кроме того существует альтернативный метод для предотвращения глубокого насыщения транзистора. Для этого используют диод Шотки, имеющий малое время восстановления. Транзисторы с такими диодами называют ненасыщенными. Использование форсирующего конденсатора имеет свои отрицательные стороны. Во время динамической отсечки ток базы падает до нуля и конденсатор не успевает разрядиться. И после запирания транзистора на базе окажется дополнительное смещение. Также очередной отпирающий импульс может поступить раньше, чем уменьшится до нуля напряжение смещения. Следовательно длительность положительного фронта увеличивается.

4. Что такое инверсное запирание ключа и в каких случаях оно возникает?

Если рассасывание заряда сначала завершается у эмиттерного перехода, то происходит инверсное запирание ключа, т.е. эмиттерный переход запирается раньше коллекторного. Это сопровождается всплеск тока коллектора. Эмиттерный переход смещается в обратном направлении раньше коллекторного. Таким образом транзистор оказывается в инверсной активной области. Ток эмиттера уменьшается, но это не вызывает изменение тока базы. Увеличивается ток коллектора, что способствует более быстрому рассасыванию избыточных носителей заряда, накопленных у коллекторного перехода. После рассасывания зарядов коллекторного перехода транзистор оказывается в области динамической отсечки. Следовательно, в отличие от нормального запирания, при инверсном запирании транзистор при переходе из области насыщения в область отсечки проходит не через нормальную активную область, а через инверсную активную область.

5. Зачем резистор в цепи базы транзисторного ключа шунтируется конденсатором? Какой емкостью он должен обладать?

Транзистор может переходить из области насыщения в область отсечки миную активную область. Это может происхёдить^ если рассасывание избыточных носителей заряда, накопленных у эмиттерного и коллекторного переходов происходит одновременно. Следовательно, при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшится длительность положительного фронта и транзистор попадет в область глубокого насыщения: Это приводит к-увеличению времени обратного переключения. Следовательно ток в момент

включения необходимо увеличить, так как это приведет к более быстрому рассасыванию заряда. Но увеличенный ток может привести к инверсному рассасыванию, что нежелательно. Для получения необходимого эффекта в схему добавляют форсирующий конденсатор (на рисунке Сускор). Он позволяет увеличить ток базы на короткий промежуток времени, что приводит к увеличению быстродействия ключа.

6. На ключ подавались управляющие сигналы, длительностью О,1 tauн и 10 tauн. Какими параметрами выходные импульсы будут различаться и почему?

?н - время жизни неосновных носителей заряда. Заряд базы меняется по следующему закону: Q(t) = ГБ1 ?н (1-е-t/?H). Следовательно с увеличением ?н будет увеличиваться начальный заряд базы. Но с увеличением ?н происходит более медленное рассасывание заряда в базе. Длительность фронта выходного сигнала прямо пропорционально ?н и следовательно выходной импульс от сигнала с большим ?н будет обладать большей длительностью фронта, чем сигнал с меньшим ?н.

7. Чем определяется скорость выхода из насыщения транзистора в простейшем биполярном ключе?

При увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшается длительность положительного фронта и транзистор попадает в область глубокого насыщения. Что приводит к увеличению времени обратного переключения. Ток в момент выключения желательно увеличивать, так как это способствуют более быстрому рассасыванию заряда и следовательно увеличивается скорость выхода из насыщения транзистора. Однако этот ток приводит к инверсному рассасыванию, что нежелательно из-за выбросов тока коллектора. Удовлетворить эти противоречивые требования удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора.

8. Каким образом в ключе на биполярном транзисторе можно уменьшить длительность фронта выходного сигнала?

Для уменьшения длительности фронта выходного сигнала нужно уменьшать время жизни неосновных носителей заряда ?н. Кроме того с ростом управляющего тока длительность фронта существенно уменьшается. Также длительность фронта уменьшается при увеличении степени насыщения транзистора.

9. Каким образом в ключе на биполярном транзисторе можно управлять длительностью среза выходного сигнала?

Большая часть среза приходится на то время, когда транзистор находится в режиме отсечки. Следовательно для уменьшения длительности среза нужно использовать более высокочастотный транзистор и уменьшать постоянную времени ? = RkCk, от которой в большей степени зависит ?среза. Кроме того длительность среза уменьшится при увеличении запирающего сигнала. Следовательно длительностью среза выходного сигнала можно управлять посредством изменения уровня запирающего сигнала.

10. Каким образом в ключе можно уменьшить задержку выключения?

Время задержки выключения уменьшится, если уменьшится время рассасывания заряда. В свою очередь рассасывания заряда ускорится, если транзистор не вводить в состояние глубокого насыщения. Для этого используют ненасыщенные транзисторы. Использованные в этих транзисторах диоды Шотки позволяют значительно уменьшить задержку выключения, так как имеют малое время восстановления.

11. Каковы достоинства и недостатки ТТЛ-ключа со сложным инвертором?

К недостаткам ТТЛ-ключа с простым инверторам относится: - низкая помехоустойчивость - малая нагрузочная способность - малое быстродействие при работе на емкостную нагрузку. Улучшенными параметрами по сравнению с предыдущей схемой обладает ТТЛ-ключ со сложным инвертором. Его помехоустойчивость по логическому нулю выше, чем у схемы с простым инвертором, а по логической единице ниже. В ТТЛ- схеме со сложным инвертором постоянная времени заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается. За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие по сравнению с простым инвертором. К недостаткам ТТЛ-схемы со сложным инвертором относится сильная генерация токовых помех по цепи питания, обусловленная броском тока через сложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля в единицу.

12. Чем определяются уровни выходного напряжения для ТТЛ-ключа со сложным инвертором?

Логическая схема состоящая из ТТЛ-ключа реализует схему И-ИЛИ-НЕ. На выходе системы устанавливается логический ноль, если на всех входах поступают сигналы, соответствующие логической единицы. При всех остальных комбинациях сигналов на входах схемы выходное напряжение соответствует логической единице.

13. Какие требования предъявляются к МЭТ в ТТЛ-ключах и как они обеспечиваются?

Многоэмиттерный транзистор специально разработан для микроминиатюрных логических устройств и не имеет дискретного аналога. Количество эмиттеров у многоэмиттерного транзистора должно соответствовать количеству входов у данной схемы. На рисунке показана структура многоэмиттерного транзистора. У многоэмиттерного транзистора каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их р-слоем базы образует горизонтальный транзистор типа п+ - р - п+. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй будет собирать те из них, которые инжектированы через боковую поверхность эмиттера и прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект называется паразитным. Чтобы избежать этого эффекта расстояние между эмиттерами должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Кроме того необходимо, чтобы МЭТ имел как можно меньший инверсный коэффициент передачи тока. В противном случае возможен паразитный эффект подобный предыдущему.

14. Чем определяется нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии «0»?

Нагрузочная способность ТТЛ-ключа характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности используют коэффициент разветвления по выходу Краз. Этот параметр определяет число единичных нагрузок - аналогичных ключей, которые можно одновременно подключить к выходу ключа. Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "О" характеризуется параметром КОраз = 1Овых / 10вх , где 1Овых - выходной ток логического нуля , 10вх - входной ток логического нуля.

15. Какова нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии «1»?

Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "1" характеризуется параметром К1раз = 11вых / 11вх , где 11вых - выходной ток логической единицы, 11вх - входной ток логической единицы.

16. Есть ли в ТТЛ-ключе обратные связи? Если есть, то какие и где?

17. Зачем в эмиттерной цепи фазоинвертора ТТЛ-ключа установлен дополнительный транзистор? Как онвлияет на свойства ключа?

Дополнительным транзистором в эмиттерной цепи фазоинвертора ТТЛ-ключа является транзистор VT3. Этот транзистор вместе с двумя резисторами R3 и R4 является нелинейной цепью коррекции. Она позволяет увеличить быстродействие данной схемы и приблизить ее АПХ (амплитудо передаточная характеристика) к прямоугольной. Последнее улучшает формирующие свойства схемы. Принцип действия данной схемы основан на зависимости ее сопротивления от состояния транзистора VT5, в основном определяется сопротивлением резистора R3 которое велико. Поэтому на начальном этапе формирования на выходе схемы напряжения логического нуля весь эмиттерный ток транзистора VT2 втекает в базу транзистора VT5, что форсирует его включение. После включения VT5 насыщается и VT3, шунтируя эмиттерный переход транзистора VT5 низкоомном сопротивлением резистора R4. Это, во-первых, уменьшает степень насыщения транзистора VT5 и, во- вторых, при последующем выключении увеличивает ток, удаляющей из базовой области этого транзистора избыточный заряд неосновных носителей. Оба эти фактора способствуют снижению времени рассасывания заряда, что повышает быстродействие схемы.

18. Какую роль играет резистор в коллекторной цепи верхнего плеча выходного каскада ТТЛ-ключа? Каквыбрать его сопротивление?

В момент переключения схемы в ее выходной цепи протекает так называемый "сквозной ток", обусловленный тем, что в течении интервала рассасывания запираемого транзистора оба транзистора выходного двухтактного усилителя ( выходной двухтактный усилитель представлен в этой схеме транзисторами VT4 , VT5 , резистором R5 и диодом VDn) оказывается насыщенным. Это приводит к тому, что ток потребления схемы имеет явно выраженный импульсный характер. Поэтому с увеличением частоты переключения среднее значение тока, потребляемое схемой растет. Растет и ее суммарная потребляемая мощность. Кроме того, протекание импульсов тока за счет действия индуктивности соединительных проводов может привести к появлению ложных срабатываний соседних элементов. Для ограничения величены "сквозного тока" в коллекторную цепь VT4 включен резистор R5. Однако чрезмерное увеличение сопротивления этого резистора, во- первых, увеличивает мощность, рассеиваемую в схеме, и, во-вторых, уменьшает ее нагрузочную способность.

Что влияет на помехозащищенность ТТЛ-ключа и каким образом ее можно увеличить?Помехозащищенность ключа рассчитывают минимальную из двух величин: положительной и отрицательнойстатических помех, ?U+п = U0вх пор - UObx и ?U-n = U1вх - U1вх пор. Статическая помехоустойчивость этомаксимально допустимое отклонение напряжения, при котором еще не происходит изменения уровнейвыходного напряжения. Следовательно для увеличения помехозащищенности ключа необходимо увеличивать?U+n и ?U-n, которые в свою очередь могут быть увеличены если будут увеличено пороговое напряжениелогического нуля и уменьшено пороговое напряжение логической единицы. Кроме того существует еще однаособенность в работе с ТТЛ-ключами. Если вход схемы остается неподключенным к источнику сигнала, томожно считать, что на него подан сигнал "1". Однако на практике неиспользуемые входы рекомендуется неоставлять свободными, а через дополнительный резистор Rдoп подключать в выводу +Ш. В противном случае,так как в состоянии "1" по входу схема обладает большим входным сопротивлением, резко увеличиваетсявероятность воздействия на нее помех, что снижает надежность работы ключа.

Почему ТТЛ-ключи являются источниками помех и как с такими помехами бороться?

refdb.ru

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Поиск Лекций

При работе транзистора в ключевом режиме его включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером.

Контакты цепи, которые необходимо коммутировать подключают соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора. Управляющий сигнал подают в цепь базы.

При работе транзистора в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.

Рис. 8.1. Работа транзистора в ключевом режиме

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что напряжения в схеме никакой роли не играют, только токи.

В ключевом режиме ток коллектора должен принимать только два значения:

а) 0- при разомкнутом состоянии;

б) определенное внешним и внешним .

Анализ работы транзистора в ключевом режиме проводят по выходным характеристикам транзистора.

При работе транзистора в активном усилительном режиме рабочая точка может находиться в любом месте участка нагрузочной прямой, а при работе в ключевом режиме, рабочая точка может иметь только два положения на нагрузочной прямой: крайнее нижнее соответствует минимальному току коллектора ( - тепловой ток). При этом транзистор закрыт и находится в режиме отсечки, когда и коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении.

Рис. 8.2. Выходная характеристика транзистора.

Второе положение - крайнее верхнее положение рабочей точки на нагрузочной прямой. Это положение соответствует открытому состоянию транзисторного ключа. транзистор работает в режиме насыщения. Когда и коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора минимально. Для реальных транзисторов это так называемое остаточное напряжение может составлять десятые доли вольт. Это малое остаточное напряжение практически не влияет на величину коммутирующего тока.

9(по конспекту) Тиристор (по конспекту) – трёхэлектродеый 4-х слойный полупроводниковый элемент, включение которого производитсяя по электроду управления.

Условие открытия теристора

1) приложение напряжения «+» к аноду, «-» к катоду ,к управляющему электроду прилагается отпирающее напряжение

2) «+» на управлении

Условие закрытия

1) обратное направление приложения напряжения.

2) прерывание тока через теристор.

(Интернет)

,Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

(Интернет)

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

В точке 1 происходит включение тиристора.

Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток Ih.

Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

poisk-ru.ru