Ключи на полевых транзисторах, схемы, применение, типы. Транзистор в режиме ключа схема

Ключи на полевых транзисторах, схемы, применение, типы

рис. 3.17 Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 3.17). Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа. Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, встречающегося у некоторых авторов и состоящего в том, что остаточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным». Кстати будет сказать, что наличие подобных на первый взгляд противоречивых утверждений полезно воспринимать как знак того, что выбор конкретного решения (в данном случае выбор для коммутации полевого или биполярного транзистора) следует осуществлять на основе всестороннего анализа.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18).

На схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и uси= Eс. Если напряжение uвх больше порогового напряжения Uзи.порог транзистора, то он открывается и напряжение uси уменьшается.

Ключи на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом входят в состав различных микросхем серий 284, 504 и др.

Напряжение на ключе в его включенном состоянии Uвкл зависит от сопротивления стока Rc, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением Rc, емкостью Сн и частотными свойствами транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т1 называют активным, а транзисторТ2 — нагрузочным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом uвх < Uзи.nopoгl , где Uзи.nopoгl — пороговое напряжение для транзистора T1. В этом случае транзистор Т1 закрыт и через оба транзистора протекает очень малый ток (обычно не более 1 нА). При этом напряжение uси1близко к напряжению Ес, а напряжение uси1 близко к нулю. В рассматриваемом состоянии транзисторТ2 также закрыт, хотя напряжение между затвором и истоком этого транзистора положительно (очевидно, что uзи2 = uси2). Но соотношение между параметрами транзисторов обеспечивается именно такое, чтобы в закрытом состоянии ключа выполнялось соотношение uси1= Ес. По крайней мере очевидно, что напряжение uси2не может быть больше порогового напряжения Uзu.nopoг2 для транзистора Т2, иначе бы транзистор Т2 открылся и напряжение на нем уменьшилось.

Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При этом uвх> uзи.порог1. Транзистор Т1 открыт и напряжение uси1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т2 близко к напряжению питания. В рассматриваемом состоянии транзистор Т2 также открыт, при этом uзи2= uси2= Ес. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т2 была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T1 .Именно поэтому в открытом состоянии ключа uси1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т2 мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

Изобразим схему цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20).

Здесь использованы взаимодополняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т2 с каналом p-типа. Обозначим через Uзи.порог1 и Uзи.порог2 пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т1 и Т2. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным.

Пусть uвх= 0, тогда, очевидно, транзистор T1 закрыт, а транзистор Т2 открыт. При этом uсн1= Ес, uис2= 0. Если uвх> Uзи.порогl, тогда транзистор Т1 открыт. Пусть, кроме того, uвх> Ес — Uзи.порог2, тогда транзистор Т2 закрыт. При этом uси1= 0, uис2= Ес.

Надо отметить, что если Ес < Uзи.порог1 + Uзи.порог2, то при изменении входного сигнала не возникает ситуация, когда оба транзистора включены. Но если данное неравенство не выполняется, то такая ситуация будет иметь место при некотором промежуточном напряжении uвх, и тогда через транзисторы протекает так называемый сквозной ток. Если длительность переднего фронта и длительность среза (заднего фронта) входного импульса мала, то сквозной ток протекает короткое время, но и в этом случае он оказывает негативное влияние на работу схемы.

Как следует из изложенного, в каждом из двух установившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Это первое важное достоинство комплементарного ключа. Вторым важным достоинством комплементарного ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Третьим важным достоинством комплементарного ключа является его повышенное быстродействие. Оно может быть на порядок больше, чем у двух других ранее изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости Сн, так и ее заряд происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор T1 и заряжается через транзистор Т2). При этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение емкости. Естественно предположить, что входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или uвх= , или uвх= Ес. В этом случае, чем больше напряжение питания Ес, тем больше отпирающий сигнал на соответствующем транзисторе и тем больше его начальный ток (к примеру, при uвх= 0, uиз2= Ес). Поэтому при увеличении напряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМОП-ключей.

Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе (рис. 3.21).

Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т1 резистором нагрузки, а источника питания — источником входного сигнала.

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, т. е. к точке с наибольшим потенциалом, для того чтобы p-n-переходы между подложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались.

Транзистор этого аналогового ключа работает подобно тому, как работает транзистор Т2 рассмотренного комплементарного ключа. Например, для отпирания транзистора необходимо, чтобы напряжение uупр было малым.

Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное входное напряжение.

Двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах

Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах (рис. 3.22). Ключ предназначен для передачи напряжения uас вывода А на вывод В или напряжение ub с вывода В на вывод А. Предполагается, что эти напряжения находятся в пределах от 0 до +Еn. Транзисторы Т1 и Т2 образуют рассмотренный выше комплементарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда uупр= +Еn. В этом случае по крайней мере один из транзисторов Т3 и Т4 открыт. Ключ закрыт, когда uупр= 0.

Если схему изменить и на затворы транзисторов Т3 и Т4 подавать не только положительные, но и отрицательные напряжения, то ключ будет в состоянии работать не только при положительных, но и отрицательных напряжениях uа и ub.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а на комплементарных транзисторах — в состав микросхем серий 590, 591, 176, 561, 1564.

pue8.ru

Ключи на биполярных транзисторах: схемы, диаграммы, принцип работы

рис. 3.8 Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств и часто сопровождается пересмотром использующихся схемотехнических решений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и при конструировании устройств информативной электроники.

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напряжения (рис. 3.7).ыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при qнac = 3;

● чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора.

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину qнаc выбирают из диапазона 1,5 … 2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8).

Через uбэ.порог обозначено пороговое напряжение между базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение uбэ.порог соответствует току базы, в 10 раз меньшему тока iб.нас.мин. Через iк.порог обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению uбэ.порог. Интервал t1…t2 называют интервалом задержки включения, интервал t2….t3 — интервалом формирования фронта, а интервал t3…t4 — интервалом накопления заряда. Разность t3 − t1 называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора iк.нас, величиной β транзистора, а также временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллектора на рассматриваемом интервале мал. Указанное явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Однако не следует забывать, что барьерные емкости, как и диффузионные, являются по определению дифференциальными емкостями. Поэтому к термину «перезаряд» следует относиться с осторожностью. Например, если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это не означает, что некомпенсированный заряд в области эмиттерного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости равен нулю при нулевом напряжении). К концу интервала задержки напряжение между базой и эмиттером увеличивается до значения uбэ.парог.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей. Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полупроводникового диода и явления диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта tф.

На интервале накопления заряда продолжается накопление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение uкэнезначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интервалов времени:

t1 … t2 — рассасывания заряда;

t2 … t3 — формирования спада;

t3 … t4 — установления.

Разность t3 − t1 называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором Rб. Если пренебречь напряжением uбэ, то iб = − U2 / Rб

На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания tpac. Чем больше по модулю ток iб, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток iк значительно уменьшается, а напряжение на коллекторном переходе и напряжение uкэ

значительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе приводит к изменению объемных нескомпенсированых зарядов в области этого перехода (говорят, что барьерная коллекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение uбэ изменяется от величины uбэ.порог до −U2. При этом изменяются нескомпенсированные объемные заряды переходов транзистора.

После момента времени t3ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов транзисторных ключей настоятельно рекомендуется выполнить с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процессы при самых сложных входных сигналах. Ранее для расчета переходных процессов в транзисторных ключах применялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.

Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения нежелательно, так как это удлиняет время выключения. Аналогично время выключения можно уменьшить, увеличивая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, который увеличивает положительную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа поясняют временные диаграммы. Подобные схемы широко используются на практике.

pue8.ru

Транзисторный ключ | Volt-info

Зная, как работает транзистор, с его помощью можно создать несколько простых, но весьма практичных электронных устройств. Одним из таких устройств является транзисторный ключ.

Транзисторный ключ представляет собой аналог электромеханического реле с одним контактом. Как положение контактов реле управляется подачей достаточной разности электрических потенциалов на выводы обмотки реле, так проводимость коллекторного перехода биполярного транзистора управляется подачей достаточной разности электрических потенциалов на его эмиттерный переход (рисунок 1).

Рисунок 1. Реле и транзисторный ключ.

К контактам X1 и X2 подключен источник управляющего сигнала, к X3 и X4 – источник питания нагрузок HL1 и HL2.

При нажатии кнопки SB1 от источника сигнала GB1 через замкнутые контакты кнопки подаётся напряжение на обмотку реле KL1. При этом, замыкается контакт реле, через который начинает протекать ток нагрузки HL1. Так коммутируется нагрузка с помощью обычного электромеханического реле.

Аналогично работает схема транзисторного ключа.

При разомкнутых контактах кнопки SB1 потенциалы на выводах резисторов R1 и R2 практически равны потенциалу эмиттера, на эмиттерном переходе смещение отсутствует, коллекторный переход закрыт, ток через нагрузку не течёт (аналог разомкнутого контакта реле).
Замыканием контактов кнопки SB1 подаётся напряжение на делитель R2-R1, который выполняет несколько функций. Соотношение резисторов подбирается таким, чтобы при заданном напряжении управляющего сигнала через базу транзистора протекал ток не превышающий максимально допустимого значения. Таким образом, предотвращается выход из строя транзистора и перерасход электрической энергии на управление ключом. При размыкании контакта кнопки SB1, на базе транзистора остаётся напряжение насыщенной базы, которое поддерживается коллекторным током нагрузки. Чтобы закрыть транзистор, необходимо принудительно снизить потенциал базы до такого значения, чтобы транзистор переключился в режим отсечки (для кремниевых транзисторов это напряжение примерно меньше 0,3-0,6 В). Это делает резистор R1, уравнивая потенциал базы с потенциалом эмиттера, как бы подтягивая базу к эмиттеру. (По этой причине, резисторы выполняющие подобные функции часто называют подтягивающими).

Часто в схемах дискретного управления ключи управляются напряжениями логического нуля и единицы, и напряжение логического нуля может быть отличным от нулевого значения. Значения напряжений логических уровней указывается в справочных данных на используемые элементы схем, и их необходимо учитывать при проектировании схем ключей.

Для того, чтобы определить необходимый ток базы для полного насыщения (отпирания) транзистора, можно воспользоваться справочными данными. Зная максимально допустимый ток коллектора можно вычислить необходимый для этого значения ток базы делением на коэффициент усиления по току. В справочных данных коэффициент усиления обычно приводится в виде диапазона значений, например 50…200, нужно брать нижний предел (50) как крайний случай, при котором будут работать транзисторы с любым коэффициентом из указанного диапазона, так как ток базы будет максимальным.

Для того, чтобы транзистор надёжно закрывался в режиме отсечки, необходимо проследить, чтобы при подаче напряжения логического нуля на резистор R2, на базе транзистора напряжение было меньше 0,3 В.

volt-info.ru