Транзисторный ключ. Базовый элемент И-НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

 

Интегральные микросхемы (ИМС) ТТЛ строятся на основе известных вам по­лупроводниковых приборов - биполярных транзисторов. Напомним их основные свойства.

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника, называ­емых эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К) с чередующимися типами проводимос­ти: p-n-p или n-p-n. Структура этих транзисторов и их схемные изображения показаны на рис. 1 а и б. Транзистор имеет два p-n-перехода, каждый из ко­торых может находиться как в закрытом ( непроводящем для основных носителей), так и в открытом ( для основных носителей) состоянии. Открытое состояние возникает при подаче положительного потенциала от внешнего источника на р-область, а отрицательного на п-область, причем разность этих потенциалов должна превышать некоторое значение, называемое пороговым напряжением ( Unop). Для кремниевых транзисторов Uпор, достаточное для компенсации вну­треннего контактного запирающего поля p-n-перехода 0,6 В, для германиевых 0,2 В. Переход с полярностью подключения к внешнему источнику, соответст­вующей открытому состоянию (даже, если напряжение на переходе меньше поро­гового) называют прямовключенным или прямосмещенным. Если же положительный полюс внешнего источника подключен к n-области, а отрицательный - к p-области, переход считается обратновключенным (обратносмещенным). На рис. 1в переход БЭ включен в прямом направлении, а КБ - в обратном.

Для транзистора характерны четыре режима работы: 1) отсечки - оба p-n-перехода закрыты; 2) активный (усилительный) режим - переход БЭ включен в прямом направлении (открыт) а БК - закрыт; 3) насыщения - оба р-п-перехода открыты; 4) инверсный режим - переход БЭ включен в обра­тном, а КБ - в прямом направлении.

Для цифровой техники основные режимы работы транзистора - отсечки и на­сыщения. Переход из одного состояния в другое происходит скачком. Такой режим работы транзистора называется ключевым. Активный режим имеет место как переходный между отсечкой и насыщением. Схема простого ключа на тран­зисторе n-p-n-типа показана на рис. 3.

Режим отсечки характеризуется высоким сопротивлением (десятки и сотни кОм) как обоих p-n-переходов по отдельности, так и всего транзистора в це­лом. Оба перехода закрыты для основных носителей тока, поэтому через тран­зистор протекают только неуправляемые малые токи, создаваемые неосновными носителями. Из коллектора в базу протекает ток неосновных носителей (ды­рок), так называемый тепловой ток коллектора Iкбо (рис. 2). Этот ток, несущественный при обычных условиях, может значительно увеличиваться с ростом температуры и влиять на работу схемы. Ток эмиттера в режиме отсечки мал и обычно Принимается равным нулю. Транзистор и ключевая схема на его основе (рис. 3) считается закрытым (запертым). Почти все питающее напряжение Ек в ре­жиме отсечки падает на закрытый транзистор (Rк обычно много меньше, чем со­противление закрытого транзистора): Uкэ=Ек.

В активный режим из отсечки транзистор можно перевести подачей положи­тельного потенциала (смещения) на Б относительно Э от внешнего источника. При этом начинает открываться переход ЭБ и электроны из n-эмиттера впрыски­ваются (инжектируются) в базу, создавая во внешней цепи ток эмиттера Iэ (рис. 2). База транзистора изготавливается небольшой толщины (доли мкм) и с невысокой концентрацией основных носителей, поэтому 95-99% инжектированных из Э электронов не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает пе­рехода БК, По отношению к p-базе инжектированные электроны - неосновные но­сители и переход БК для них открыт. Электроны, достигшие коллекторного пе­рехода, втягиваются в коллектор контактным полем этого перехода, создавая во внешней цепи ток коллектора Iк (рис. 2).

Несколько процентов электронов не доходят до коллекторного перехода, рекомбинируя б базе с ее основными носителями - дырками, что требует непреры­вного восполнения дырок в базе от внешнего источника Uбэ. Этот поток дырок создает во внешней цепи ток базы Iб.

Соотношение между токами в транзисторе (рис. 2), согласно закону Кирхгофа

Iэ = Iк + Iб,

причем Iб может быть значительно меньше, чем Iк и Iэ.

Особенно важно то обстоятельство, что на количество инжектируемых из Э в Б электронов можно влиять, изменяя напряжение смешения Uбэ, или, как го­ворят, "степень открытости" эмиттерного перехода. При этом изменяются все токи транзистора: Iэ, Iк, Iб, а т.к. Iб обычно много меньше, чем Iэ и Iк, то абсолютное изменение Iб значительно меньше, чем абсолютное изменение Iэ и Iк. Таким образом, при сравнительно небольшом приращении (или уменьше­нии) Iб можно получить значительное приращение (или уменьшение) Iэ и I к, что и дает возможность использовать транзистор, работающий в активном режиме как усилитель входного сигнала (Iб и Uбэ). В этом смысле иногда говорят, что транзистор управляется током базы.

Для транзистора в активном режима характерна пропорциональность между Iб и Iк:

В=Iк/Iб.

Коэффициент В (для схемы, где общим элементом для входного и выходного си­гналов является эмиттер; рис. 3) называется коэффициентом усиления (передачи) тока базы и колеблется от единиц до сотен у разных типов транзисторов.

Итак, для транзистора, работающего в активном режиме, Iк может меняться от очень малых до близких к максимально возможным значениям, в зависимости от входного сигнала Iб и Uбэ. изменяются при этом и общее сопротивление транзистора и падающее на него напряжение Uкэ от близкого к Ек до 0,2-0,3 В.

При увеличении входного сигнала может наступить такой момент, что поте­нциал базы окажется выше потенциала коллектора (Uбэ>Uкэ), а это значит, что переход БК окажется включенным в прямом направлении и при определенном уров­не входного сигнала, транзистор перейдет в режим насыщения.

В этом состоянии общее сопротивление транзистора мало (от единиц до де­сятков Ом для разных транзисторов), поэтому транзистор в приближенных расчетах можно считать короткозамкнутым. Iк достигает наибольшей, при заданных питающем напряжении Ек и коллекторном сопротивлении Rк, величины Iкн, а напряжение, падающее на транзисторе (Uкэ), наименьшей. Транзистор (и ключ) в состоянии насыщения считается открытым.

Пренебрегая малым сопротивлением насыщенного транзистора, ток в цепи коллектора (рис. 3) открытого ключа можно определить как

Iкн=Ек/Rк,

т.е. Iк насыщения не зависит от входного сигнала Iб и Uбэ и определяется только источником питания Ек и сопротивлением Rк в цепи коллектора. Увели­чение Iб для насыщенного транзистора не приведет к росту Iк и уменьшению Uкэ, как в активном режиме. Говорят, что в режиме насыщения Iб теряет свои управляющие свойства.

Режим насыщения может наступать, начиная с некоторого минимального тока базы Iбн, и тем более иметь место при токах базы, превышающих Iбн. Это обстоятельство характеризуется величиной S, называемой глубиной (степенью) насыщения:

S=Iб/Iбн,

где Iбн - минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в режим насы­щения;

Iб - реальный ток базы, который может в несколько раз превышать Iбн.

Uкэ кремниевого насыщенного транзистора не превышает 0,2 В, а Iкн может достигать значений, близких к допустимым.

В схеме изучаемого в лабораторной работе элемента И-НЕ используется и инверсный режим работы транзистора, при котором переход БК открыт, а БЭ закрыт. Это получается, когда на Э подан высокий потенциал, а на К низ­кий и входной сигнал подается между базой и коллектором, т.е. К и Э просто меняются местами по сравнению с обычным включением транзистора. Хотя Э и К имеют один и тот же тип проводимости, коллектор гораздо беднее основными носителями - электронами. Поэтому коллекторный и эмиттерный токи в инверсном режиме невелики и коэффициент усиления Винв составляет в лучшем случае несколько единиц.

 

ПРОСТОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ.

Схема простого транзисторного ключа показана на рис. 3.

Суть работы ключа состоит в перераспределении (делении) питающего на­пряжения Ек между постоянным сопротивлением резистора Rк и зависящим от входного сигнала сопротивлением транзистора. Когда транзистор открыт и его сопротивление мало, основная часть Ек падает на Rк и на выходе ключа (КЭ транзистора) - сигнал низкого уровня. Если же транзистор закрыт и его сопро­тивление много больше Rк - на выходе сигнал высокого уровня.

Для примера рассчитаем ключ, задавшись условиями, характерными для ключей цифровых ИМС ТТЛ:

ключ должен открываться (транзистор входит в режим насыщения) входным сиг­налом не менее 2,4 В (2,4 В - нижний уровень, принятый для логической еди­ницу микросхем ТТЛ; верхний уровень логической единицы - 5В). При этом на выходе ключа должно быть напряжение Uкэ не более 0,4 В (0,4 - верхний уро­вень, принятый в цифровой технике для логического нуля). Iк не должен быть слишком велик, что характерно для ИМС. Примем Iк не превышающим 5 мА. Ключ должен закрываться (транзистор переходит в режим отсечки) входным напряже­нием, соответствующим уровню логического нуля: 0 В<Uвх<0,4 В. При этом на вы­ходе должен обеспечиваться уровень логической 1: 2,4 В<Uкэ<5 В. Питание ключа осуществляется от источника постоянного тока Ек=5 В.

1) выбор транзистора.

Самый общий анализ перечисленных условий показывает, что для их выполне­ния нужен транзистор, способный выдерживать коллекторный ток не менее 5 мА (желателен запас) и напряжение Uкэ не менее 5 В (тоже желателен запас). Например, это может быть кремниевый транзистор n-p-n-типа КТ315И, имеющий следующие параметры: Рк мах=100 мВт, Uкэ проб=60 В, Iк мах=50 мА, Iкбо=0,5 мкА, Bmin=30, fгр=250 МГц, Rкэ нас<45 Ом, где Рк мах - максимально допустимая постоянная мощность рассеяния коллектора.

Uкэ проб -пробивное напряжение между К и Э при разомкнутой цепи базы.

Iк мах - максимально допустимый постоянный ток коллектора.

Iкбо - обратный ток коллекторного перехода при разомкнутом выводе эмиттера (тепловой ток коллектора). Bmin - минимальный коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.

Rкэ нас - сопротивление между К и Э в режиме насыщения.

 

2) требуемый по условиям Iк задается сопротивлением в цепи коллектора Rк.

 

Если пренебречь собственным малым сопротивлением насыщенного транзисто­ра, ток через открытый транзистор определится:

Iкн=Ек/Rк; откуда Rк=Ек/Iкн; Рк>5 В/5 мА=1 кОм.

3) нужный ток базы задается резистором в цепи базы Rб.

Обеспечить насыщение транзистора с коллекторным током Iкн=5 мА можно при минимальном базовом токе:

Iбн=Iкн/В.

Для ключей цифровых ИМС характерна работа с высокими степенями насыщения S до 10, т.е. реальный базовый ток задается с большим запасом. Это делается для повышения надежности срабатывания и помехоустойчивости ИМС, что являет­ся одним из основных эксплуатационных требований к микросхемам.

Приняв Вmin=30 и S=5,

Iб=Iбн*S=Iкн*S/Bmin; Iб<5 мА*5/30=0,85 мА.

Входной сигнал действует в контуре Ubx - Rб - БЭ -!_. Пренебрегая со­противлением открытого перехода БЭ,

Iб=Uвх/Rб, откуда

Rб=Uвх/Iб, Rб>2,4 В/0,85 мА=3 кОм.

Следует отметить, что этот расчет не принимает во внимание собственное сопротивление источника входного сигнала, учет которого привел бы к умень­шению расчетного Rб.

4) проверка условия запирания клича.

Переход БЭ закроется и транзистор перейдет в режим отсечки, если Uбэ меньше порогового. Т.к. Unop для кремниевых транзисторов 0,6 В, то при Uвх менее 0,4 В транзистор перейдет в режим отсечки без каких либо дополнитель­ных мер.

5) проверка уровня выходного сигнала.

Через коллекторную цепь закрытого транзистора протекает только Iкбо. Для КТ315И Iкбо=0,6 мкА, а расчетное Rк>1 кОм, тогда падение напряжения на Rк составит в этом случае ориентировочно 0,6 мкА*1 кОм=0,6 мВ. Следовательно, почти все питающее напряжение Ек, приложенное к делителю Rк - КЭ, окажется на закрытом транзисторе: Uкэ=Ек=5 В, что соответствует уровню логической 1.

При расчете мы пренебрегали собственным сопротивлением насыщенного тран­зистора, однако на самом деле для КТ315И Rкэ нас<45 Ом. Мы задали ток через насыщенный транзистор не более 5 мА, тогда Uкэ нас <Iкн*Rкэ нас=5 мА*45 Ом=0,225 В, что соответствует уровню логического нуля.

Следует иметь в виду, что проведений расчет не учитывает собственное со­противление источника питания и источника входного сигнала, сопротивления и емкостные параметры переходов транзистора, а также влияние нагрузки на ра­боту схемы. Однако даже такой упрощенный расчет вполне обеспечивает работо-способность схемы.

Несмотря на простоту схемы, ключ на одном транзисторе редко используется в цифровой технике, т.к. не обладает достаточной нагрузочной способностью -

свойством сохранять постоянным уровень выходного сигнала при изменении нагрузки на выходе.

Действительно, пусть в схеме рис. 3 Rк= i кОм. Тогда, как мы видели, в отсутствии нагрузки (выход разомкнут) при закрытом ключе Uвых=Uкэ=Ек=5 В. Однако, ситуация изменится, если на выход схемы включить нагрузку, которая вместе с Rк составит делитель напряжения для Ек. Так, если Rнагр=1 кОм, то Ек поделится пополам между Rк и Rнагр. Тогда Uвых составит 1/2Ек=2,5 В. Если же Rнагр<1кОм, то Uвых может упасть ниже нижнего уровня логической 1 (2,4 В). Простой ключ пригоден для высокоомных нагрузок и малых выходных токов. Кроме того, наличие емкости в нагрузке (практически это бывает почти всегда в цифровой технике) приводит к ухудшению динамических свойств ключа, особенно к затягиванию фронта выходного сигнала, т.к. Снагр заряжается при закрытом транзисторе малыми токами, ограниченными Rк, по цепочке +Ек - Rк - Снагр -!_. Эти недостатки преодолеваются в схеме сложного (составного) ключа.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: