Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

дуляторами, а усилители мощности, содержащие широт­ но-импульсный модулятор и выходной транзистор, рабо­ тающий в режиме переключения, называются усилителя­ ми класса Д.

§ 3. Транзисторные ключи

Транзисторными ключами называются усилители, имеющие ступенчатую форму передаточной характери­ стики, то есть очень высокую крутизну переходного уча­ стка передаточной характеристики. Чаще всего в схемах автоматики применяются транзисторные ключи с резис­ тивными входными и выходными цепями, так как они способны сохранять включенное или выключенное состо­ яние в течение сколь угодно большой длительности вер­ шины или паузы входного сигнала.

Наиболее распространенными ключевыми схемами являются однотранзисторные схемы с нормально закры­ тым и нормально открытым транзисторами (рис. 43, а, б). Схема с нормально закрытым транзистором известна также под названием ключа с потенциальным входом. Схему с нормально открытым транзистором называют ключом с токовым входом или ключом с входным диод­ ным переключателем тока.

При расчете маломощного транзисторного ключа с потенциальным входом вначале выбирается тип тран­ зистора по максимальной величине тока нагрузки и мак­ симальной величине выходного напряжения. Далее вы­ бирается величина напряжения коллекторного питания Ек, которая должна быть больше максимальной величи­ ны выходного напряжения, но меньше по крайней мере в 1,2 раза предельной величины коллекторного напряже­ ния триода.

Минимальная величина сопротивления резистора коллекторной нагрузки должна быть такой, чтобы кол­

Максимальная величина сопротивления коллектор­ ного резистора должна быть такой, чтобы падение

117

Рис. 43. Схемы импульсных усилителей:

тивлением-транзистором по схеме с общим коллектором; д — трехтранзи­ сторный ключ с повышенным входным сопротивлением; е — двухтранзи­ сторный ключ со вспомогательным эмиттерным повторителем в коллектор­ ной цепи

напряжения, вызываемое максимальным обратным кол­ лекторным током, не превышало, по крайней мере, одной десятой напряжения коллекторного питания Е к:

■*к. о. макс

При выборе величины сопротивления коллекторного резистора можно руководствоваться оптимальным значе­

118

нием, вычисленным по коллекторному току / к. экстр, обеспечивающему экстремальное значение коэффици­ ента усиления р для маломощных транзисторов:

Практически при напряжении питания £ К= 12В со­ противление коллекторного резистора маломощного транзистора выбирается в пределах 1,5—3 кОм.

Величина сопротивления резистора смещения выбира­ ется в соответствии со следующим условием:

где 2 — коэффициент запаса, учитывающий необходи­ мый запас тока смещения в целях улучшения динамики выключения транзистора.

Величина сопротивления резистора связи RCB выби­ рается в соответствии с условием насыщения транзи­ стора:

(127)

R Крмин

Коэффициент насыщения S следует задавать равным

1,5—2.

Резисторы схемы с нормально открытым транзисто­ ром рассчитывают аналогично. Сопротивление резисто­ ра R б базовой цепи рассчитывают по формуле (127). В этой схеме в целях надежности отсечки базового тока диод Д\ должен быть германиевым, желательно плоско­ стного типа, а диод Д 2 — кремниевым, точечного или плоскостного типа.

Основным преимуществом ключа с входным диодным переключателем тока является его высокое входное соп­ ротивление для сигнала отпирающей полярности, вслед­ ствие чего он хорошо согласуется с переключающими схемами, имеющими высокое сопротивление коллектор­ ного резистора.

119

Кроме однотранзисторных ключей известны различ­ ные многотранзисторные схемы, имеющие ступенчатую форму передаточной характеристики. В этих схемах вспомогательные транзисторы, в зависимости от схемы их включения, обеспечивают улучшение открытого и за­ крытого состояний основного транзистора, а также уменьшение выходного сопротивления схемы в закрытом состоянии основного транзистора. Для уменьшения вы­ ходного сопротивления ключа при закрытом состоянии основного транзистора в коллекторную цепь основного транзистора вместо резистора RK вводится управляемое сопротивление — вспомогательный ключ по схеме с общим коллектором на транзисторе однотипной прово­ димости (рис. 43, г) либо по схеме с общим эмиттером на транзисторе противоположного типа проводимости

(рис. 43, в).

В схеме со вспомогательным транзистором обратной проводимости входная цепь основного транзистора долж­ на быть выполнена на диодном переключателе тока. В этом случае даже при высокоомном коллекторном ре­ зисторе предыдущего каскада обеспечивается надежное отпирание основного транзистора Т\ и надежное запира­ ние вспомогательного коллекторного транзистора Т2. При резистивной цепи связи основного транзистора Т\ в результате падения напряжения на коллекторном ре­ зисторе предыдущего каскада вспомогательный транзи­ стор Т2 запирается ненадежно. Вследствие этого ухуд­ шаются условия работы транзисторов и может произойти их пробой.

Схемы на рис. 43, г и 43, д равноценны по выходному сопротивлению, однако входное сопротивление схемы рис. 43, д может быть существенно выше, чем входное сопротивление схемы рис. 43, г, за счет усилительных свойств вспомогательного управляющего транзистора Г3, являющегося эмиттерным повторителем.

Транзисторный ключ со вспомогательным коллектор­ ным транзистором, включенным по схеме с общим кол­ лектором, может быть выполнен и в двухтранзисторном варианте (рис. 43, е). Эта схема, по существу, представ­ ляет обычный усилительный каскад с выходным эмиттер­ ным повторителем, улучшенный введением диода Ди соединяющего цепь нагрузки с коллекторной цепью транзистора Т\. Диод Д 2 при открытом состоянии транзи-

120

сюра Т 1 препятствует обратному смещению базы тран­

зистора Г2 н тем самым Способствует более быстрому включению транзистора Г2.

Микроэлектронные интегральные транзисторные ключи

В настоящее время отечественная промышленность выпускает значительное количество типов микроэлект­ ронных схем интегрального исполнения.

Особенностью интегральной технологии производства схем является исполнение всех компонентов схемы в кристаллическом моноблоке, в виде многослойной струк­ туры с надлежащим чередованием полупроводниковых

слоев р- и «-проводимости, а также проводящих и изоля­ ционных участков.

Интегральные транзисторные ключи изготавливают­ ся только с несколькими входами и предназначаются для реализации логической функции «нИ-НЕ» •— логического совпадения единичных состояний сигналов по несколь­ ким входам с инверсией результата.

Сущность этой логической функции, на примере двух­ входовой схемы «2И-НЕ», разъясняет следующая табли­ ца состояний входных сигналов и сигнала выхода:

Принципиальная схема элемента «2И-НЕ» показана на рис. 44, а. Транзисторы Т2, Т3, Г4 образуют ключ с низким сопротивлением в единичном (открыт транзи­ стор Г4) и нулевом (открыт транзистор Т3) выходных со­ стояниях.

Когда транзистор Т2 пропускает ток, транзистор Г4 заперт, а транзистор Т3 открыт и выходное напряжение близко к нулю.

121

Т3, не получая тока из эмиттерной цепи транзистора Т2, находится в запертом состоянии. При этом напряжение выходного сигнала близко к напряжению коллекторного питания.

Транзистор Т2 пропускает ток только в том случае, если в его базу втекает ток по цепи, образованной рези­ стором Ri и коллекторным переходом многоэмиттерного

122

транзистора Т\. Это, в свою очередь, может произойти только при условии, если оба эмиттера транзистора Т\ одновременно окажутся под потенциалами, большими, чем потенциал базы транзистора Т2. Практически для этого достаточно, чтобы напряжения на входах 1 и 2 бы­ ли более 0,5—0,6 В.

Таким образом, рассмотренная схема воспринимает понижение напряжения на одном из входов до уровня 0,5—0,6 В как сигнал 0 и реагирует при этом изменени­ ем выходного напряжения от уровня 0, близкого нулю

вольт, к уровню 1, близкому к напряжению коллекторно­ го питания.

«пИ-НЕ» она работает как обычный транзисторный ключ (инвертор).

Отечественная промышленность выпускает элементы «пИ-НЕ» с количеством входов до восьми. Существует разновидность схемы «пИ-НЕ», не содержащая транзи­ стора Г4 с резистором R3 и диодом Д. Эта схема называ­ ется элементом «пИ-НЕ» с открытым коллекторным вы­ ходом.

Следует иметь в виду, что обычные схемы «пИ-НЕ» не допускают параллельного соединения нескольких эле­ ментов по выходу, так как в этом случае при различии состояния их входов, в выходной цепи произойдет сквоз­ ное короткое замыкание через транзистор Г4 схемы с вы­ ходным состоянием 1 и транзистор Т3 схемы с выходным состоянием 0.

Элементы «пИ-НЕ» с открытым коллекторным выхо­ дом допускают параллельное соединение их выходов.

В номенклатуре отечественных интегральных схем есть элемент «2И-2ИЛИ-НЕ». Он содержит (рис. 45) транзисторный двухвходовый ключ на транзисторах Т3, Г4, Т5, Т6 и две схемы совпадения на многоэмиттерных транзисторах Т{ и Т2.

По входам 5 я 6, которые называются входами рас­ ширения по «ИЛИ», этот элемент в случае запертого со­ стояния транзисторов Т3 и Г4 является инвертором. При­ соединяя к входам 5, 6 произвольное количество так

123