4.Ключевой режим работы транзисторов
4.1.Транзисторный ключ по схеме оэ
В электронных схемах, работающих в нелинейном импульсном режиме, диоды, полевые и биполярные транзисторы, применяемые в этих схемах, часто используются в качестве ключевых элементов. Основное назначение их заключается в замыкании и размыкании определенных цепей электронной схемы под действием управляющих входных сигналов. Ключевой режим работы транзисторов используется также для усиления, формирования и генерирования импульсных сигналов, является основным режимом в работе цифровых интегральных микросхем и т. д.
Рассмотрим функциональную схему простейшего ключевого элемента (рис.1).
Рис. 4.1. Функциональная схема ключа
Под действием управляющих сигналов производится подключение нагрузки к источнику сигнала, или его отключение в течение определенного промежутка времени. Если ключ К замкнут, входной сигнал проходит в нагрузку. При этом желательно чтобы сигнал без потерь поступал в нагрузку. При размыкании же ключа должно быть прекращено поступление сигнала в нагрузку. Реальные ключевые элементы, используемые в практических схемах, обладают конечным внутренним сопротивлением в разомкнутом состоянии, что исключает полное отключение нагрузки от источника энергии.
Сформулируем основные требования, предъявляемые к ключевым элементам:
малое падение напряжения в замкнутом состоянии ключа,
малый ток в разомкнутом состоянии,
большая скорость переключения.
Диоды, полевые и биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме, имеют достаточно малые остатоточные напряжения во включенном состоянии – десятые доли вольта. Однако основное их преимущество заключается в том, что они имеют очень высокую скорость переключения, малые емкости, массогабаритные показатели, большую надежность, возможность интегрального исполнения.
Рассмотрим вначале особенности работы биполярного транзистора в ключевом режиме. Достоинство транзисторных ключей заключается в малом остаточном напряжении в замкнутом состоянии и достаточно большом сопротивлении в разомкнутом состоянии. Ключевой режим работы транзистора лежит в основе работы следующих электронных устройств: генераторы импульсных сигналов, формирователи импульсов, логические элементы ИМС, усилители импульсных сигналов и т.д. Транзистор, работающий в качестве ключа, выполняет те же функции, что и механический коммутатор – замыкает и размыкает цепь нагрузки под действием управляющего сигнала. При этом роль контактов в транзисторных ключах выполняют p-n переходы.
Известны три схемы включения транзисторов – ОЭ, ОК и ОБ. Наиболее распространенной схемой, используемой в качестве ключевого элемента, является схема ОЭ, приведенная на рис. 2.
Данная схема имеет следующие достоинства:
малая управляющая мощность,
малое падение напряжения на ключе во включенном состоянии.
В реальной схеме источник управляющего сигнала может либо источником тока или источником напряжения. При этом структура выходной цепи может быть самой разнообразной: резистивной, емкостной, индуктивной. Чаще всего на входе ключа ОЭ стараются реализовать режим источника тока. Это связано с тем, что режим генератора тока стабилизирует работу транзисторного ключа, уменьшает разброс параметров выходных сигналов при смене транзисторов, несмотря на некоторое ухудшение частотных свойств по сравнению с режимом генератора напряжения на входе.
Рис. 4.2. Схема транзисторного ключа по схеме ОЭ
Высокая крутизна усиления ВАХ транзисторов приводит к тому, что в режиме генератора напряжения на входе небольшой разброс характеристик транзистора вызывает существенное изменение выходного тока транзистора. Такой режим требует индивидуальной настройки или введения дополнительных элементов для компенсации разброса параметров характеристик транзистора. Анализ работы транзисторного ключа значительно проще в режиме генератора тока на входе ключа. Для генератора тока на входе можно считать, что внутреннее сопротивление источника сигнала Ri ≥ 5Rвх.
Транзисторные ключи могут работать в насыщенном, либо ненасыщенном режимах. Рассмотрим эти режимы в отдельности. Насыщенные ключи характеризуются малой мощностью, рассеиваемой на коллекторном переходе транзистора во включенном состоянии и хорошей помехоустойчивостью. Недостатком этого режима является наличие задержки выключения. К недостаткам насыщенного ключа можно отнести также большую мощность, рассеиваемую в базе при больших степенях насыщения.
Ненасыщенные ключи свободны от недостатков, присущих насыщенным ключам, но, в свою очередь, имеют рад отрицательных свойств, обусловленных работой транзистора в активном режиме, а именно: повышенная мощность рассеяния на коллекторном переходе, низкая помехоустойчивость.
Нагрузка для транзисторных ключей может быть самой разнообразной: активная, емкостная, индуктивная. При емкостной нагрузке необходимо учитывать величину начального тока разряда емкости и мгновенную мощность, рассеиваемую на переходах. При индуктивной нагрузке необходимо учитывать выброс напряжения, обусловленный э.д.с. самоиндукции, так при этом напряжение на транзисторе может превышать напряжение питания.