Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

81

том, что возникают токи электродов транзистора. Ток коллектора на рас-

сматриваемом интервале мал. Явление изменения зарядов условно назы-

вают перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного пере-

ходов.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора уве-

личиваются. В начале этого интервала продолжается изменение напряже-

ния на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется на-

пряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответст-

вующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формиро-

вания фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носи-

телей электричества в базе транзистора. Это явление условно называют

накоплением неосновных носителей. Заряд неосновных носителей практи-

чески сразу компенсируется зарядом основных носителей. Чем больше ко-

эффициент насыщения, тем меньше длительность фронта

t

ф

.

На интервале накопления заряда процесс накопления неравновесных

носителей электричества продолжается, напряжение u

кэ

незначительно

уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Временные диаграммы процесса выключения транзистора представле-

ны на рис. 8.3.

Рис. 8.3

t

рас

t

1

t

2

t

3

t

4

t

сп

t

уст

t

выкл

t

0

1

U

2

U-

вх

u

кэ

u

б

i

k

E

наск

I

к

i

82

На рис. 8.3 приняты следующие обозначения интервалов времени:

• t

1

…t

2

– рассасывания заряда;

• t

2

…t

3

– формирования спада;

• t

3

…t

4

– установления;

• t

1

…t

3

– выключения.

На интервале рассасывания ток базы, ограниченный резистором R

b

,

имеет отрицательное значение i

б

≈

-U

2

/R

b

, если принять напряжение u

бэ

≈0.

На этом интервале времени концентрация неравновесных носителей элек-

тричества уменьшается, и в конце интервала транзистор выходит из режи-

ма насыщения. Время рассасывания возрастает при увеличении коэффици-

ента насыщения.

Интервал форсирования спада t

сп

характеризуется снижением концен-

трации неравновесных носителей, уменьшением тока i

k

и увеличением на-

пряжения на коллекторном переходе и напряжения u

кэ

. В области коллек-

торного перехода изменяются объемные нескомпенсированные заряды

(перезаряд барьерной коллекторной емкости).

На интервале установления t

уст

напряжение u

бэ

изменяется от значения

U

бэ пор

до –U

2

. Изменяются также нескомпесированные объемные заряды

переходов транзистора.

С момента времени t

3

ток коллектора сравнивается с током базы, эмит-

терный переход смещается в обратном направлении. В результате сниже-

ния тока базы до нуля транзистор выключается. Время выключения мож-

но уменьшить увеличением запирающего отрицательного тока базы.

а) б)

Рис. 8.4

На рис. 8.4, а представлена схема транзисторного ключа с форсирую-

щим конденсатором, увеличивающим положительную и отрицательную

кэ

u

вх

u

вх

u

б

i

t

0

83

вх

U

кб

U

вх

U

амплитуды тока базы, и тем самым повышающим быстродействие транзи-

сторного ключа. Диаграмма тока базы показана на рис. 8.4, б.

8.1.2 Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах

Ненасыщенные транзисторные ключи на биполярных транзисторах

имеют повышенное быстродействие и уменьшенное время рассасывания.

Основное назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выхо-

де напряжение, близкое к нулю, или напряжение, близкое к напряжению

источника питания. Такой режим работы ключа характерен для схем циф-

ровой и силовой электроники.

Идеализированной схеме ненасыщенного ключа соответствует схема,

показанная на рис. 8.5, а. Напряжение смещения U

cm

должно находиться в

пределах 0,4…0,6 В. При ненасыщенном транзисторе диод VD находится

в закрытом состоянии и весь ток источника входного сигнала поступает в

базу транзистора, обеспечивая его быстрое отпирание.

На стыке активного режима и режима насыщения напряжение u

кб

≈ 0,

и диод открывается. С этого момента времени ток источника входного

сигнала частично ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается, что

исключает насыщение транзистора. В таких схемах применяются высоко-

частотные диоды, превосходящие транзистор по быстродействию.

в)

а) б)

Рис. 8.5

Еще более эффективным является применение в схеме ключа диода

Шоттки (рис. 8.5, б). Такие ключи отличаются большим быстродействием

и малым падением напряжения при прямом включении (время восстанов-

84

ления менее 0,1 нс, напряжение отпирания около 0,25 В). При включении в

схему ключа диода Шоттки источник напряжения смещения не требуется.

Биполярный транзистор с диодом Шоттки называют транзистором Шотт-

ки. Его условное графическое обозначение показано на рис. 8.5, в.

К недостаткам ненасыщенных ключей следует отнести:

• повышенное напряжение на открытом ключе;

• пониженную помехоустойчивость;

• пониженную температурную стабильность.

8.1.3 Аналоговые ключи на биполярных транзисторах

Ранее рассмотрены ключи для коммутации цепей с постоянными ис-

точниками напряжения. В измерительных электронных устройствах ис-

пользуются также и ключи, предназначенные для коммутации источника

входного аналогового сигнала и

приемника этого сигнала. Такие

ключи называют аналоговыми клю-

чами или аналоговыми коммутато-

рами.

Компенсационный аналоговый

ключ на биполярных транзисторах

представлен на рис. 8.6. Для умень-

шения падения напряжения на от-

крытом ключе используют последо-

вательное соединение одинаковых транзисторов. Такие устройства назы-

вают прерывателями. Они имеют симметричную выходную характеристи-

ку и пригодны для коммутации сигналов переменного напряжения.

На рис. 8.7 пред-

ставлена схема ана-

логового ключа на

основе прерывателя.

Управляющий сигнал

с целью гальваниче-

ской развязки пере-

дается через транс-

форматор.

Рассмотрим мо-

мент времени, когда

имеют место те по-

лярности входного

напряжения и напряжения на вторичной обмотке трансформатора в цепи

управления, которые указаны на рис. 8.7. В этом случае транзисторы будут

открыты и входной ток i

вх

будет положительным. Транзистор Т

1

будет ра-

Рис. 8.6

Рис.8.7

вых

u

вх

u

упр

u

1кэ

u

2эк

u

+

−

85

ботать в нормальном режиме включения по схеме с общим коллектором.

Транзистор Т

2

будет работать в инверсном режиме по схеме с общим

эмиттером.

Остаточные напряжения на транзисторах взаимно скомпенсированы,

так как u

кэ1

< 0, а u

эк2

> 0. Благодаря этому общее напряжение на транзи-

сторах оказывается очень малым (порядка 100 мкВ).

8.1.4 Ключи на полевых транзисторах

Для коммутации аналоговых и цифровых сигналов широко применя-

ются ключи на полевых транзисторах.

В аналоговых ключах применяются транзисторы с управляющим p-n-

переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифро-

вых ключах больше применяются МДП-транзисторы с индуцированным

каналом. Такие ключи также находят применение в силовой импульсной

электронике.

Для ключей на полевых транзисторах характерно малое остаточное на-

пряжение, поэтому они способны коммутировать слабые сигналы порядка

нескольких микровольт. Выходные характеристики полевых транзисторов

проходят через начало координат. На рис.8.8 показаны условное графиче-

ское обозначение и выходные характеристики транзистора с управляющим

переходом и каналом р-типа.

Рис. 8.8

Характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напря-

жениям между затвором и стоком.

В статическом режиме ключ на полевом транзисторе потребляет очень

малый ток управления из-за большого входного сопротивления ключа.

Большое входное сопротивления ключа фактически обеспечивает гальва-

ническую развязку входной и выходной цепей. Однако входной ток увели-

чивается при повышении частоты переключения из-за повышенной вход-

c

i

0

=

зи

u

0

>

зи

u

0

>

зc

u

0

=

зc

u

ис

u

0

86

u

cи

си

u

вх

u

пор зи

U

вкл

U

с

Е

0

t

вх

u

ной емкости. Ключи на полевых транзисторах часто проигрывают по бы-

стродействию ключам на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным кана-

лом n-типа и резистивной нагрузкой и временные диаграммы, поясняющие

работу ключа, показаны на рис. 8.9. На схеме емкость С

n

соответствует

суммарной емкости подключенных к ключу устройств. При отсутствии

входного сигнала транзистор закрыт, и напряжение между стоком и исто-

ком u

си

= E

с

. При напряжении u

вх

больше порогового напряжения U

зи пор

транзистор открывается, и напряжение u

си

понижается.

Напряжение U

вкл

на открытом ключе зависит от сопротивления стока R

c

,

величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик тран-

зистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопро-

тивлением R

c

, емкостью С

n

и частотными характеристиками транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с динамической нагруз-

кой, функцию которой выполняет МДП-транзистор, показана на рис. 8.10.

Транзистор Т

1

называют активным, а транзистор Т

2

– нагрузочным.

а) б)

Рис. 8.9

В закрытом состоянии ключа u

вх

< U

зи пор1

, где U

зи пор1

– пороговое на-

пряжение транзистора Т

1

. Транзистор Т

1

закрыт, и через оба транзистора

протекает ничтожно малый ток (порядка 1 нА). Напряжение u

си1

близко к на-

пряжению E

c

, а напряжение u

си2

близко к нулю. При этих условиях транзи-

стор Т

2

также закрыт несмотря на то, что напряжение между затвором и ис-

током этого транзистора положительно. При закрытом транзисторе Т

2

u

зи2

= u

си2

. Соотношение между параметрами транзисторов подбирается та-

ким, чтобы в закрытом ключе выполнялось соотношение u

си1

≈

E

c

. Напряже-

ние u

си2

не может быть больше порогового напряжения U

зи пор2

для транзи-

стора Т

2

, в противном случае он бы открылся.

87

Рис. 8.10 Рис. 8.11

В открытом состоянии ключа u

вх

> U

зи пор1

, транзистор Т

1

открыт, на-

пряжение u

си1

близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т

2

примерно

равно напряжению питания. В этом состоянии транзистор Т

2

также открыт,

а u

зи2

= u

си2

≈ Е

с

. Но транзисторы проектируют таким образом, чтобы

удельная крутизна характеристики транзистора Т

1

значительно превышала

удельную крутизну характеристики транзистора Т

2

. Благодаря этому в от-

крытом состоянии ключа u

си1

≈ 0. Ввиду малости удельной крутизны ха-

рактеристики транзистора Т

2

ток, протекающий через открытый ключ,

относительно мал.

На рис. 8.11 представлена простейшая схема аналогового ключа на

МДП-транзисторе, которая получается из предыдущей заменой транзи-

стора Т

1

резистором нагрузки Rn. Функцию источника питания выполняет

источник входного сигнала.

Положительный полюс источника питания, имеющий наибольший по-

тенциал, соединен с подложкой транзистора для того, чтобы p-n-переходы

между подложкой и истоком и подложкой и стоком были смещены в об-

ратном направлении.

Транзистор такого аналогового ключа работает, как транзистор Т

2

ком-

плементарного ключа. Для отпирания транзистора необходимо, чтобы на-

пряжение u

уп

р

имело небольшую величину.

Ключ способен коммутировать входное напряжение любой полярности.

На рис.8.12 представлена схема цифрового ключа на комплементарных

МДП-транзисторах, которые взаимодополняют друг друга – транзистор Т

1

с каналом n-типа и транзистор Т

2

с каналом р-типа. Обозначим через

U

зи пор1

и U

из пор2

положительные пороговые напряжения для транзисторов

Т

1

и Т

2

соответственно. Пороговые напряжения представляют собой ми-

u

cи2

u

cи1

u

зи2

вх

u

88

нимальные значения на-

пряжений, при которых

транзисторы находятся в

закрытом состоянии.

Когда u

вх

= 0, транзи-

сторТ

1

закрыт, а транзистор

Т

2

открыт. В этом режиме

u

си1

≈ E

c

, u

си2

≈ 0. Если

u

вх

> U

з

и пор1

, то транзистор

Т

1

будет открыт. Если

обеспечить выполнение ус-

ловия u

вх

> Е

с

- U

из пор2

, то

тогда транзистор Т

2

будет

закрыт, а u

си1

≈ 0, u

си2

≈ E

c

.

Если обеспечить вы-

полнение неравенства E

c

< U

зи пор1

+ U

из пор2

, то при изменении входного

сигнала исключается состояние, когда оба транзистора включены. В случае

невыполнения неравенства при некотором промежуточном значении на-

пряжения u

вх

оба транзистора могут быть включены, и через них протекает

так называемый сквозной ток. Этот ток протекает в течение короткого

промежутка времени, но тем не менее может нарушить работу или вывести

из строя схему.

Достоинства ключа заключаются в следующем:

• и в открытом и в закрытом состоянии ключ практически не потреб-

ляет ток от источника питания;

• выходные напряжения в открытом и закрытом состоянии ключа рез-

ко отличаются друг от друга, что очень важно для цифровых схем с точки

зрения повышения помехоустойчивости;

• высокое быстродействие ключа, которое на порядок выше быстро-

действия ранее рассмотренных ключей.

Повышенное быстродействие ключа на коплементарных транзисторах

обусловлено тем, что разряд и заряд емкости С

n

происходит через соответ-

ствующий открытый транзистор с очень малой постоянной времени. При

этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор про-

текает ток значительной величины, обеспечивая быстрый заряд емкости.

На рис. 8.13 представлена схема двунаправленного аналогового ключа

(передающего вентиля) на комплементарных транзисторах. Ключ способен

передавать напряжение u

a

c вывода А на вывод В или в обратном порядке –

напряжение u

b

с вывода В на вывод А. Эти напряжения должны находить-

ся в пределах от 0 до +Е

n

.

u

зи2

u

cи1

u

зи1

u

cи2

вх

u

Рис. 8.12

89

Комплементарный ключ образован транзисторами Т

1

и Т

2

. Ключ нахо-

дится в проводящем состоянии, если u

упр

= +Е

n

. В этом случае сигнал с

вывода В передается на вывод А. При u

упр

= 0 происходит передача сигна-

ла с вывода А на вывод В.

Ключ в состоянии работать не только при положительных напряжени-

ях u

a

и u

b

, но и при их отрицательных значениях.

8.2 АМПЛИТУДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ

Амплитудные ограничители предназначены для нормирования напря-

жения сигналов по уровню путем ограничения. Амплитудные ограничите-

ли бывают односторонними и двусторонними.

Двусторонние ограничители (рис. 8.14) обеспечивают ограничение

сигнала на двух уровнях напряжения положительной и отрицательной по-

лярности, причем уровни ограничения могут отличаться по модулю.

Односторонние ограничители представляют собой устройства, напря-

жение на выходе которых не превышает установленный постоянный уро-

вень напряжения положительной или отрицательной полярности.

Рассмотрим работу двухстороннего ограничителя, выполненного на

операционном усилителе (ОУ) (рис. 8.14, а). При положительном выход-

ном напряжении ОУ стабилитрон СТ

1

работает, как диод в прямом режиме

включения, и падение напряжения U

пр

на нем невелико. Стабилитрон СТ

2

для этой полярности напряжения имеет рабочий режим обратного включе-

ния и пробивается при достижении выходного напряжения уровня пробоя

(стабилизации) U

пр

+U

ст2

, где U

ст2

– напряжение стабилизации стабили-

трона (рис. 8.14, б). За счет действия нелинейной отрицательной обратной

связи, образованной резистором R

2

и стабилитронами, напряжение на вы-

ходе ОУ ограничивается по амплитуде на уровне U

пр

+U

ст2

.

a

u

упр

u

b

u

Рис. 8.13

90

вх

u

вых

u

Рис. 8.14

При отрицательном выходном напряжении функции стабилитронов

меняются, и выходное напряжение ограничивается на уровне –( U

пр

+U

ст1

).

1

U

вых

u

вых

u

вх

u

вх

u

m

UK- ⋅

2

U

m

U

прст1

UU

+

прст2

UU +

t

0

б

а

а)

б)

Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.