Лабораторная работа № 7. Исследование транзисторных ключей

 

Транзисторные ключи выполняются на биполярных или полевых транзисторах. 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.

 

Закрытое состояние ключа

В закрытом состоянии ключа на его входе присутствует низкий уровень напряжения (сигнал ло­гического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (ре­жим отсечки). При этом коллекторный ток обусловлен только тепловым током.

При использовании ключа в логических интегральных схемах, в которых обычно применяются транзисторы типа n-р-n, 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.

 

Открытое состояние ключа

В открытом состоянии ключа на его входе присутствует 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

Насыщение ключа достигается увеличением тока базы. Однако при некотором его значении, которое называется базовым током насыщения Iбн, дальнейший рост тока базы практически не приводит к росту коллекторного тока насыщения Iкн. 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 S - коэффициент насыщения, равный отношению Iкн/Iбн.

 

Быстродействие ключей

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой следования входных переключающих сигналов. Очевидно, что оно зависит от общей длительности переходного процесса, определяемой инерционностью тран­зистора и влиянием паразитных параметров (например, перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения). Часто для характеристики быстродействия ключевого (логического) элемента используется среднее время задержки сигнала при его передаче через элемент. При конечной длительности фронта входного сигнала задержки включения и выключения отсчитываются на 10- или 50-процентных уровнях входного и выходного сигналов.

 

Элементы связи

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 рисунке 40.

а) б)

Рис. 40. Схемы ключевых каскадов на биполярных транзисторах по схеме
с ОЭ с резисторной связью (а) и дополнительной обратной связью (б)

 

Ключевой каскад ТТЛ

Рассмотрим 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.

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 рисунке 40.а конденсатор Сu 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.