Тема №7. Ключові елементи на біполярних і уніполярних транзисторах

1. Загальна характеристика ключових елементів

У цифрових пристроях термін ключ означає формувач одного із двох можливих логічних рівней і із загальновживаним терміном, його пов’язує зміна внутрішнього опору активного пристрою в нелінійній схемі. Схемна реалізація ключів значно залежить від типу (і технології) активного елементу, який використовується в основі схеми. У цьому плані існують базові схемні конфігурації на основі біполярних і МДН транзисторах. Логічні елементи, побудовані з використанням концепції перемикачів струму, до цього часу залишаються найшвидкодіючими логічними елементами.

Ключ, зібраний на транзисторі, називається транзисторним ключем. Транзисторний ключ виконує тільки дві операції: вмикати і вимикати, проміжний режим між "включено" і "вимкнено" ми будемо розглядати в наступних розділах. Електромагнітне реле виконує ту ж саму функцію, але його швидкість перемикання дуже повільна з точки зору сучасної електроніки, та й комутуючі контакти швидко зношуються.

 Що з себе являє транзисторний ключ? Давайте розглянемо його ближче:

Знайома схемка чи не так? Тут все елементарно і просто Подаємо на базу напругу необхідного номіналу і у нас починає текти струм через ланцюг від плюсової клеми + Bat2-> лампочка-> колектор> еміттер-> до мінусової клеми Bat2. Напруга на Bat2 має дорівнювати робочій напрузі харчування лампочки. Якщо все так, то лампочка випромінює світло. Замість лампочки може бути будь-яка інша навантаження. Резистор "R" тут потрібно для того, щоб обмежити значення керуючого струму на базі транзистора. Про нього більш детально я писав ще в цій статті.

Умови для роботи транзисторного ключа

Отже, давайте згадаємо, які вимоги повинні бути, щоб повністю "відкрити" транзистор? Читаємо статтю принцип посилення біполярного транзистора і згадуємо:

1) Для того, щоб повністю відкрити транзистор, напруга база-емітер має бути більше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила струму, що тече через базу повинна бути такою, щоб електричний струм міг текти через колектор-емітер абсолютно безперешкодно. В ідеалі, опір через колектор-емітер має стати рівним нулю, в реалі ж воно матиме частки Ома. Такий режим називається "режимом насичення".

Цей малюнок - уяву мого розуму. Тут я намалював той самий режим насичення.

Як ми бачимо, колектор і емітер в режимі насичення з'єднуються накоротко, тому лампочка горить на всю міць.

Базова схема транзисторного ключа

А що тепер треба зробити, щоб лампочка взагалі не горіла? Відключити її ручками? Навіщо? Адже у нас є керований резистор: колектор-емітер, опір якого ми можемо змінювати, проганяючи через базу певну силу струму Отже, що потрібно для того, щоб лампочка взагалі перестала горіти? Можливі два способи:

Перший спосіб. Повністю відключити живлення від резистора бази, як на малюнку нижче

В реальності висновок бази є свого роду маленькою антеною, яка може приймати різні наводки і перешкоди з навколишнього простору. Від цих наведень в базі може почати текти струм малого номіналу. А як ви пам'ятаєте, для того, щоб відкрити транзистор багато і не треба. І може навіть трапиться так, що лампочка буде навіть дуже тихенько світиться!

Як же вийти з цієї ситуації? Так дуже легко! Досить поставити резистор між базою і емітером, тобто зробити так, щоб при відключенні напруги, на базі напруга була дорівнює нулю. А який висновок транзистора у нас знаходиться під нулем? Емітер! Тобто науковою мовою, ми повинні зробити так, щоб потенціал на базі дорівнював потенціалу на емітер

І що, тепер кожен раз при відключенні заземлювати базу? В ідеалі - так. Але є більш хитре рішення Досить поставити резистор між базою і емітером. Його номінал в основному беруть приблизно в 10 разів вище, ніж номінал базового резистора.

Так як в схемі з'явився ще один резистор, то базовий резистор назвемо RБ, а резистор між базою і емітером Не будемо вигадувати і назвемо RБЕ. Схема прийме ось такий вигляд:

Як же поводиться резистор RБЕ в схемі? Якщо ключ S замкнутий, то цей резистор не робить ніякого впливу на роботу схеми, так як через нього протікає і без того мала сила струму, яка управляє базою. Ну а якщо ключ S розімкнений, то, як я вже сказав, потенціал на базі буде дорівнювати потенціалу емітера, тобто нулю.

Другий спосіб. Домогтися того, щоб UБЕ <0,6 Вольт або щоб струм бази IБ = 0. Цей спосіб найчастіше використовується в МК і інших логічних схемах.

Що в першому, що в другому випадку транзистор у нас не пропускає струм через колектор-емітер. У цьому випадку говорять, що транзистор знаходиться в режимі "відсічення".

Розрахунок транзисторного ключа

Як же розрахувати приблизно значення резистора бази? Є нехитрі формули. Для того, щоб їх розібрати, розглянемо ось таку схемку:

Для початку можна зайти струм бази:

де

IБ - це базовий струм, в Амперах

kНАС - коефіцієнт насичення. В основному беруть в діапазоні від 2-5. Він уже залежить від того, наскільки глибоко ви хочете загнати ваш транзистор в насичення. Чим більше коефіцієнт, тим більше режим насичення.

IK - колекторний струм, в Амперах

β - коефіцієнт посилення струму транзистора

Ну а далі справа за малим

Це найбільш простий розрахунок.

2. Перемикання найпростішого біполярного ключа

Конкретні значення параметрів процеса перемикання рівнів схемними елементами відіграють значну роль при визначенні продук-тивності обчислювальних засобів.

Затримки при перемиканні рівнів напруг на виході ключа мають два джерела:

-інерційність активних приладів (закрема, біполярного тран-зистора);

-кінцеві швидкості змінення струму (напруги) у реактивних елементах (індуктивностях і конденсаторах).

У свою чергу, частотні (а, виходить, і інерційні) властивості біполярного транзистора визначаються (в основному):

- інерційністю процесу дифузії неосновних носіїв через базу і зміною коефіцієнта інжекції;

- впливом ємності колекторного переходу (ефект Міллера, оскільки ця ємність на високих частотах реалізує від'ємний зворотній зв'язок (ВЗЗ) по напрузі);

- ефектами накопичення і розсмоктування зарядів.

Важливими є процеси, що відбуваються в найпростішому біполяр-ному ключі при впливі на вхід послідовно двох ідеальних стрибків напруги різних знаків (вмикання – перехід транзистора в низькоомний стан (насичення) і вимикання– відсічка). При цьому в перехідному процесі для вихідної напруги можна виділити п'ять етапів:

·         затримка вмикання транзистора t_зт;

·         час наростання колекторного струму (час фронту) t_ф;

·         накопичення надлишкового заряду (статика);

·         затримка вимикання транзистора (час розсмоктування) t_р;

·         час спаду колекторного струму t_сп.

3. Ключовий режим МДН-транзисторів

Польовий транзистор, так само як і БТ, виконує функцію безконтактного вимикача-вмикача в послідовному колі з резистором R_D і відносно потужним джерелом живлення E_D(рис. 5.9).

МДН-транзистори мають малий опір у ввімкненому стані (в режимі насичення) та великий опір у вимкненому (в режимі відсікання), а тому відповідають вимогам до клю­чових елементів. Значною перевагою таких транзисторів з індукованим каналом є те, що поки на вході діє напруга мен­ша за порогову, струм стоку I_D = 0.

Це повністю усуває проблему забезпечення надійного (завадостійкого) режиму відсікання без додаткового джерела зміщення, яке необхідне під час використання БТ або електровакуумних ламп. Тому МДН-транзистори знаходять широке використання в імпульсних та цифрових пристроях.

Виділяють три види ключів на таких транзисторах: з резистивним навантаженням (рис. 5.9, а), з динамічним навантаженням (рис. 5.11, а) та комплементарні ключі (рис. 5.11, б).

3.1. Ключ з резистивним навантаженням

Схему такого ключа зі спільним витоком показано на рис.( 5.9, а). Затвор служить входом ключа, а стік – виходом. Як уже зазначалося, у цифровій техніці високий рівень напруги (струму) позначають через 1, а низький – через 0 (рівні логічної одиниці і логічного нуля). За відсутності вхідного (керувального) сигналу (U  _GS = 0), транзистор закритий, потенціал на виході U  _DS » E_D. Закритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально вимкнутого ключа, чим менший залишковий струм I_DSX проходить через канал і резистор R_D. Він дорівнює зворотному струму стоковог р-п‑переходу і становить 10-⁹…10^{-10 A}. Тому спадом напруги від залишкового струму на резисторі R_D можна знехтувати і вважати, що напруга на закритому МДН-транзисторі дорівнює напрузі джерела живлення (див. рис. 5.9, б, 5.10, в). Статичний стан закритого ключа (режим відсікання) графічно зображено точкою А ( рис. 5.10, б).

Якщо на вхід поступає інформаційний сигнал, амплітуда якого перевищує рівень порогової напруги U _GS > U_GST (рис. 5.10, а), то транзистор відкривається, починає проходити струм стоку I_D. Робоча точка зміщується по лінії навантаження вверх залежно від амплітуди сигналу. В імпульсних і цифрових схемах у статичному режимі ключі знаходяться у двох станах: відсікання та насичення. Тому амплітуда керувального сигналу повинна бути такою, щоб робоча точка змістилася в точку В (див. рис. 5.9, б). Це – режим насичення. Відкритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально замкнутого ключа, чим менший спад напруги на ньому – залишкової напруги U_DSзал. При цьому струм стоку  , який проходить через відкритий транзистор, так само, як і в ключі на БТ, задається зовнішнім колом: резистором навантаження R_D та джерелом E_D:

 = ( E_D - U_DSзал)/ R_D = E_D/ R_D .

Нахил вихідних характеристик МДН-транзистора на крутій ділянці, коли напруги на затворі великі, залежить від опору каналу. Зауважимо, що чим більше значення напруги на затворі U_GS, тим крутіша початкова ділянка вихідної ВАХ, менший опір каналу і менша залишкова напруга U_DSзал. Типові значення опору каналу не менші за 1 Ом, а у потужних транзисторів – десяті частки ома. Залишкова напруга має значення 100 мВ і менше. Треба звернути увагу на те, що залишкова напруга призводить до значної втрати потужності (через транзистор протікає максимальний струм стоку). Крім того, у цифрових пристроях використовують безпосередній зв’язок між ключами, а тому необхідно, щоб залишкова напруга була меншою від порогової напруги наступного ключа. Для зменшення U_DSзал збільшують навантаження в колі стоку R_D. Тоді лінія навантаження опускається вниз (точка С), залишкова напруга зменшується: U^C_DSзал< U^B_DSзал. Але це істотно впливає на швидкодію схеми розглядається нижче ).

Швидкодію ключів визначають розрізнювальним часом t, який розраховують за тривалістю вмикання t_on і вимикання t_off.

Проаналізуємо перехідні процеси в ключі. Тут ураховують два фактори, що обумовлюють інерційність процесів ввімкнення та вимикання ключа – перезарядження ємності затвору із сталою часу t_S та перезарядження міжелектрод­них і паразитних ємностей: C₀ = C'_GS + C_DS + C_м, де C'_GS – ємність затвор – витік ПТ, який використовується в навантаженні (в наступному ключі); С_м – паразитна ємність монтажу.

Розглянемо тривалість перехідних процесів у МДН-ключі з резистивно-ємнісним навантаженням. У початковому стані ключ вимкнутий, тран­зистор знаходиться в режимі відсікання. Ємність C₀заряджена до напруги джерела живлення E_D (рис. 5.9, б, точка А). Після подачі прямокутного імпульсу амплітудою U_GS4 (рис. 5.10, а) протягом часу затримки ввімкнення t_d(on) формується новий (провідний) стан каналу. Цей процес визначається переважно перезарядженням ємності затвора із сталою часу t_S (враховується поступове змінювання електричного поля від витоку до стоку). У загальному випадку затримка t_d(on) дуже мала.

Після того, як сформувався провідний стан каналу із затримкою ввімкнення t_d(on), ПТ відкривається і через канал починає протікати струм стоку За амплітуди вхідного сигналу U_GS4струм стоку встановлюється на рівні I_D4 (рис. 5.9, б, 5.10, б). Цей процес на рис.(5.10, б) зображено переходом робочої точки, який показано стрілкою А – А₁. Але вихідна напруга через наявність ємності С₀ не може різко змінитися. Для розрядження цієї ємності необхідний певний час. Розряджається вона через відкритий транзистор спочатку струмом стоку I_D4. Напруга на конденсаторі спадає до U^A_DSsat, а робоча точка зміщується в положення A₂. На кінцевому етапі процесу вмикання робоча точка переходить у положення В. Струм стоку зменшується до рівня  – струму насичення в точці В. Зазвичай тривалість увімкнення ключів визначають за інтервалом часу, протягом якого ключ переходить з режиму відсікання (I_D ≈ 0) у режим насичення – стан, коли ПТ повністю відкритий і має мінімальний опір, чим забезпечується проходження максимального струму стоку I_Dsat ≈ ≈ E_D/R_D3 (визначається тільки зовнішніми елементами). Тривалість зростан­ня струму ключа t_r – це інтервал часу, протягом якого вихідний імпульс зростає від 10 до 90 % від свого усталеного значення під час увімкнення. Ураховуючи особливість осцилограми струму стоку на ділянці А₁ – А₂ – В, тривалість наростання струму t_rвизначають через тривалість спадання напруги U_DS (рис. 5.10, в). Тривалість спадання напруги на виході від E_D до U^В_DSзал можна оцінити, поділивши накопичений на ємності заряд E_DC₀ на струм розрядження. Нагадуємо, що тривалість змінювання напруги на конденсаторі в межах (0,1…0,9)U дорівнює 2,3. t

Повний час увімкнення ключа на МДН-транзисторі з резистивним навантаженням t_on = t_d(on) + t_r» t_r.

Розглянемо перехідні процеси під час вимикання ключа. У початковому стані транзистор відкритий і на ньому спадає невелика залишкова напруга U^В_Dзал (рис. 5.9, б, рис. 5.10, в). З подачею на затвор негативного стрибка напруги (кінець дії інформаційного імпульсу) канал розформовується, струм в транзисторі зменшується майже до нуля зі сталою часу крутості t_S. За час затримки вимкнення t_d(off) транзистор вимикається. На рис. (5.9, б) це зображено переходом робочої точки стрілкою В – В₁. Напруга на виході все ще залишається на рівні U_D^B_Sзал. Починається зарядження ємності C₀ від джерела живлення E_D через резистор R_D із часовою сталою t= R_DC₀. Вихідна напруга наростає за еспоненційним законом: U_DS(t) = E_D(1-e ^–1/ ).

Звідси можна визначити час зростання вихідної напруги: t_f = 2,3R_DC₀. За цей час напруга на виході ключа досягає значення U_DS ≈ E_D . Робоча точка зміщується по лінії В₁ – А. Тривалість вимкнення t_off = t_doff + t_f.

Отже, ємність C₀ розряджається через відкритий транзистор значним струмом I_D4, а заряджається через резистор R_D (одиниці кілоомів), тому t_off >> t_on. Розрізнювальний час визначають так: t = t_off + t_on » t_off.

Таким чином, як показано вище, для зменшення залишкової напруги доцільно збільшувати опір резистора в колі стока (лінія навантаження опускається, робоча точка зміщується в точку С, рис. 5.9, б), але це викликає збільшення сталої часу зарядження паразитних ємностей, тобто зменшує швидкодію ключа.

Для ключових схем потрібні транзистори, які відповідають спе­цифічній системі вимог, відмінних від вимог до транзисторів, працюючих у підсилювальних лінійних режимах. Тому промисловість випускає спеціальні ключові МДН-транзистори. Це необхідно враховувати під час проектування електронних пристроїв.

Перевагами ключових МДН-транзисторів порівняно з БТ є: високоомний вхід, що дає можливість використовувати безпосередній (гальванічний) зв’язок між ключами, висока швидкодія (тривалість перемикання 1…0,1 нс), суміщення високої швидкодії з високими напругами та струмами перемикання (до 10А за 10 нс), малий опір відкритого каналу, можливість пара­лель­ного вмикання транзисторів для збільшення потужності перемикання.

3.2. Ключі на МДН-транзисторах з динамічним навантаженням

Такі ключі поширені в інтегральній схемотехніці, коли фор­мування структури транзистора замість резистора не викликає додаткових труднощів. Схема такого ключа показано на рис. 5.11, а.

У транзисторі VT2 затвор з’єднаний зі стоком, що забезпечує його роботу на пологій ділянці вихідної характеристики.

Він являє собою нелінійний резистор навантаження. Цей транзистор виконує ту саму роль, що і резистор R_D у схемі рис. 5.9, а. Принцип дії та часові параметри таких ключів істотно не відрізняються від ключів з резистивним навантаженням. Зазначимо, що в такій схемі використовують транзистори з каналами одного типу провідності.

3.3. Комплементарні ключі на МДН-транзисторах

У комплементарних ключах використовують два МДН-транзистори з каналами різної провідності (рис. 5.11, б). Така комплементарна пара МДН-транзисторів має з’єднані затвори і стоки. Якщо VТ1 має n-канал, то для живлення ключа вмикають джерело з позитивною напругою +Е_D. У такому разі VТ2 необхідно ввімкнути витоком до плюс Е_D, а стоком до стоку VТ1. Затвори обох транзисторів з’єднуються і утворюють вхід ключа. Якщо інформаційного сигналу на вході немає (U  _GS < U_GST), то VТ1 закритий. У цьому разі напруга між затвором і витоком VТ2 становить мінус Е_D, що перевищує значення U_GST, а значить VТ2 знаходиться в режимі насичення. Таким чином, VТ1 (n–канальний) – закритий, а VТ2 (p‑канальний) – відкритий. На виході формується високий потенціал. Якщо на затвори поступає керувальний сигнал (U¹_GS > U_GST), то VТ1 відкривається. Амплітуда керувального сигналу має бути такою, щоб забезпечити нерівність (Е_D– U  _GS) < U_GST, і тоді VТ2 закривається. У комплементарних ключах завжди один з транзисторів знаходиться у стані відсікання, а другий – у стані насичення (за винятком перехідних процесів).

В обох розглянутих режимах у комплементарних ключах вихідний струм стоку дорівнює залишковому I_DSX, оскільки завжди один з транзисторів комплементарної пари закритий і потужність джерела живлення у вихідному колі майже не споживається. Зниження вихідного струму до значення I_DSX у «відкритому» статичному стані МДН-транзистора забезпечує одночасно різке зменшення залишкової напруги на виході відкритого ключа до одиниць мікровольтів і менше. Малий залишковий струм свідчить про великий опір у колі стоку, а це зумовлює зміщення лінії навантаження вниз.

Особливістю динаміки перемикання комплементарної пари є майже повна симетрія процесів зарядження та розрядження ємності навантаження C₀: зарядження відбувається через відкритий транзистор VT2 (коли закритий VT1), а розрядження – через відкритий VT1 (коли закритий VT2). Тому тривалість вмикання та вимикання комплементарного ключа однакова. Швидкодія його значно вища від швидкодії розглянутих ключів на МДН-транзисторах.

Розглянуті типи ключів широко використовують в інтегральних цифрових схемах. На їх базі створено схеми МДН (МОН)-логіки. Формування транзисторів замість резисторів у ключах з динамічним навантаженням дозволяє збільшити щільність розміщення, оскільки МДН-транзистор займає на підкладці меншу площу, ніж резистор. У схемах ДМДН-логіки немає елементів (резисторів, діодів, конденсаторів) між виходом одного транзистора і входом другого. Це обумовлено високим вхід­ним опором. Комплементарні ключі використовують в інтегральних схемах комплементарної МДН-логіки (КМДН або КМОН).