1 Транзисторные ключи

1.1 Теоретические сведения и расчетные соотношения

Транзисторные ключи служат для коммутации цепей нагрузки под воз­действием управляющих сигналов. В отличие от диодов транзисторы облада­ют усилительными свойствами и поэтому способны коммутировать достаточ­но большие напряжения и токи малыми входными, не допускают затухания сигнала при последовательном включении нескольких ключей, с их помощью можно строить схемы с положительными обратными связями, обладающие регенеративными свойствами.

Наиболее широко распространены транзисторные ключи на биполяр­ных транзисторах при включении с общим эмиттером (рисунок 1.1). В соответ­ствии с функциями ключа транзистор может находиться в режиме отсечки и режиме насыщения. Активный режим работы имеет место при переходе из одного статического режима в другой.

Условием режима отсечки является обратное смещение эмиттерного пере­хода транзистора

|u_БЭ| ≤ |U_пор| , (1.1)

где U_пор — пороговое напряжение транзистора (для германиевых U_пор ≈ 0, для кремниевых U_пор ≈ 0,6 В).

На режим отсечки оказывает влияние обратный ток коллекторного пере­хода, который при закороченном эмиттерном переходе достигает значения 2I_K0, а при обратносмещенном переходе равен I_K0.

У германиевых транзисторов обратный ток I_K0 на несколько порядков больше, чем у кремниевых. Поэтому условия отсечки в транзисторных ключах на герма­ниевых и кремниевых транзисторах несколько различны.

В ключах на кремниевых транзисторах (рисунок 1.1, а) из-за того, что U_пор ≈ 0,6В, источник смещения для запирания транзистора не используют. Напряжение на базе транзистора в таких ключах

u_Б=U₀+I_K0R_Б, (1.2)

где U₀ или U⁰— напряжение логического нуля на входе ключа, определяемое низ­ким уровнем входного напряжения, которое, как правило, снимается с дру­гого аналогичного ключа и не равно нулю.

Условие (1.1) для ключа на кремниевом транзисторе можно записать сле­дующим образом: U_пор > u_Б=U₀ +I_K0R_Б.

В ключах на германиевых транзисторах, у которых U_пор ≈0, для на­дежного запирания транзистора применяют дополнительный источник сме­щения Е_см (см. рисунок 1.1, б). В этом случае напряжение на базе транзистора равно

(1.3)

Так как u_Б должно быть больше нуля, то условие (1.1) для ключей на германиевых транзисторах можно записать

Е_СМ > I_K0R (1.4)

Рисунок 1.1

Ток I_K0 сильно зависит от температуры и для германиевых транзисто­ров практически удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С:

, (1.5)

где I_{K0 20Cº}, I_K0 – токи при температурах 20 °С и данной t °C. Поэтому в условие (1.4) следует подставлять максимальное значение I_K0MAX

Протекание тока I_K0 через R_K приводит к уменьшению выходного напря­жения, которое для режима отсечки можно записать

|u_КЭ| = |E_K| - |I_K0R_K| (1.6)

Для получения режима насыщения на вход ключа необходимо подать отпирающее напряжение, обеспечивающее базовый ток, больший тока базы насыщения I_Бн. Этот ток определяется через ток коллектора насыщения

I_Kн = E_K/R_K, и коэффициент усиления транзистора β равен I_Бн = I_Kн /β. Условие насыщения для схемы рисунок 1.1, б имеет вид

(1.7)

где U¹ — входное отпирающее напряжение, соответствующее напряжению логической единицы.

Аналогично для схемы рисунок 1.1, а

(1.8)

Напряжение на коллекторе в режиме насыщения определяется остаточным напряжением u_КЭ = U₀.

При воздействии на вход управляющих прямоугольных импульсов транзи­стор переключается не мгновенно, а за конечные промежутки времени, опре­деляемые длительностью переходных процессов, которые состоят из задержки включения t₃, обусловленной перезарядом входной емкости С_ВХ от напряже­ния запирания U_БЗ до напряжения U_ПОР; длительности формирования переднего фронта t_Ф⁺, обусловленной инерционными процессами изменения концен­трации носителей в базе и изменениями заряда барьерной емкости коллекторного перехода; времени рассасывания t_РАС избыточного объемного заряда и длитель­ности формирования заднего фронта t_Ф, обусловленной инерционным характером уменьшения заряда в базе.

Временные параметры переключения оп­ределяются соотношениями:

, (1.9)

, (1.10)

где — эквивалентная постоянная времени,

— постоян­ная времени транзистора.

(1.11)

где - ток выключения транзистора;

для схемы рисунок 1.1, а;

для схемы рисунок 1.1,б.

Рисунок 1.2

Рисунок 1.3

Для уменьшения времени переходных процессов транзисторы включают и выключают форсированно током, существенно большим I_БН, а в стати­ческом режиме не допускают глубокого насыщения. Для этого применяют форсирующие емкости, фиксацию коллекторного потенциала и нелинейную обратную связь, вводимую с помощью импульсного диода или диода Шоттки (см. соответственно рисунок 1.2, а- в).

В интегральной микросхемотехнике находят широкое применение клю­чи на МДП (МОП) транзисторах с управляющим р-п переходом (рисунок 1.3) и с индуцированным каналом (рисунок 1.4). Последние наиболее широко использу­ются в импульсных схемах и делятся на ключи с резистивной нагрузкой (рисунок 1.4, а), с динамической (транзисторной) нагрузкой (рисунок 1.4, б) и комплементарные (КМОП) ключи, называемые также ключами на дополняющих транзисторах (МДПДТ) (рисунок 1.4, в). Эти ключи имеют очень высокое вход­ное сопротивление и относительно меньший ток нагрузки.

Быстродействие ключей на МОП- транзисторах также меньше, чем на биполярных транзисторах, из-за невозможности быстрой перезарядки пара­зитных емкостей малым токами. Основным путем увеличения быстродейст­вия таких ключей является уменьшение емкости С_ВЫХ ключа.

Дополнительные теоретические сведения и расчетные соотношения при­ведены в работах [3, 6, 17, 21].

Рисунок 1.4