8. Простейшие переключающие схемы

8.1. ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

В линейных схемах потенциал коллектора транзистора устанавливается таким, чтобы его величина находилась в пределах между При этом усиление сигнала осуществляется в окрестности установленной рабочей точки. Отличительной особенностью линейных схем является то, что величина входного сигнала остается настолько малой, что выходное напряжение линейно зависит от входного и не выходит за пределы верхней и нижней границ линейного участка характеристики, так как в противном случае появились бы заметные искажения сигнала. В отличие от линейных схем цифровые схемы работают только в двух характерных рабочих состояниях. Эти состояния характеризуются тем, что выходное напряжение может быть либо больше некоторого заданного напряжения либо меньше заданного напряжения причем Если выходное напряжение превышает то говорят, что схема находится в состоянии Н (high - высокий), если же оно меньше чем говорят, что она находится в состоянии L (low низкий).

Величины уровней и зависят только от используемой схемотехники. Чтобы можно было однозначно интерпретировать выходной сигнал, уровни, лежащие между значениями и считаются запрещенными. Схемотехнические особенности, определяемые этими требованиями, рассмотрим на примере транзисторного инвертора, представленного на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Транзисторный ключ.

В схеме должны выполняться следующие условия:

и

Эти условия должны выполняться даже для самого неблагоприятного случая, т.е. не должно быть меньше, чем при не должно быть больше, чем при Такие условия могут быть выполнены соответствующим выбором уровней и а также величин сопротивлений и Как это осуществляется, можно показать на следующем числовом примере.

Если в схеме, изображенной на рис. 8.1, транзистор заперт, то при отсутствии нагрузки выходное напряжение будет равно При минимальном нагрузочном резисторе выходное напряжение будет равно Таким образом, является минимальным выходным напряжением схемы в состоянии Для гарантированного различения состояний примем пусть, например, при Согласно сформулированным выше условиям, при входное напряжение должно соответствовать уровню Под уровнем понимаемся такое наибольшее входное напряжение, при котором транзистор еще остается надежно запертым. Для кремниевого транзистора, находящегося при комнатной температуре, за уровень может быть принято напряжение 0,4 В. Теперь, когда уровни выбраны, необходимо рассчитать параметры схемы таким образом, чтобы при выходное напряжение удовлетворяло условию Схема должна быть рассчитана таким образом, чтобы это требование выполнялось и для самого неблагоприятного случая, т.е. даже при выходное напряжение оставалось бы меньше, чем Коллекторное сопротивление выбирается такой величины, чтобы время переключения транзистора было достаточно малым, а величина коллекторного тока не была слишком велика. Выберем, например, Рассчитаем далее величину так, чтобы при входном напряжении выходное напряжение не

превышало величины Для этого ток коллектора должен составлять Используемые в таких схемах транзисторы должны обладать коэффициентом усиления по току Необходимый ток базы составит тогда Для надежного насыщения транзистора выберем с десятикратным запасом. Тогда для величины получим

Передаточная характеристика схемы с такими параметрами представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Передаточная характеристика ключа при и величины запаса помехоустойчивости для уровней соответственно.)

При выходное напряжение схемы составляет 2,5 В. Оно превышает на 1 В минимально необходимое значение

Рис. 8.3. Методы повышения запаса помехоустойчивости для уровня L.

Назовем величину при запасом помехоустойчивости для уровня В рассматриваемом примере он составляет 1 В. Аналогично определяется запас помехоустойчивости для уровня как величина при В схеме на рис. 8.1 запас помехоустойчивости для уровня равен разности и напряжения коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения В Таким образом, эта величина составляет Запас помехоустойчивости фактически является мерой эксплуатационной надежности схемы. Его обобщенное определение можно записать в следующем виде:

Если необходимо повысить запас помехоустойчивости для уровня то следует увеличить величину так как напряжение нас практически нельзя уменьшать. Для осуществления этого в базовую цепь транзистора включают, как показано на рис. 8.3,а, один или несколько диодов. Резистор служит для замыкания цепи обратного тока перехода коллектор-база, что обеспечивает более надежное запирание транзистора. Другой способ повышения состоит в том, что в базовой цепи устанавливается обычный делитель напряжения (рис. 8.3,б или в). Указанные меры являются обязательными при использовании германиевых транзисторов, так как для них напряжение база-эмиттер открытого транзистора в некоторых случаях может оказаться ниже

Динамические свойства

При использовании транзистора в качестве ключа представляют интерес динамические свойства такой схемы. Различают несколько временных интервалов, характеризующих работу транзистора в импульсном режиме. Они приведены на рис. 8.4 Можно заметить, что время рассасывания существенно превышает остальные временные интервалы. В течение этого времени происходит запирание

Рис. 8.4. Импульсный режим работы инвертора. время рассасывания неосновных носителей. время нарастания выходного напряжения, время задержки, время спада выходного напряжения.

предварительно насыщенного транзистора Если у открытого транзистора обеспечить большее, чем то время рассасывания существенно уменьшается. Поэтому, если требуется получить быстродействующую схему ключа, используют различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора. Цифровые схемы, работающие по этому принципу, называют ненасыщенной логикой. Как это достигается схемотехническими средствами, будет показано при рассмотрении конкретных схем.

Обычно частотные свойства цифровых схем характеризуют усредненным параметром, так называемой задержкой распространения сигнала:

где - интервал времени между точками -ного значения на фронте нарастания импульса входного напряжения и -ного значения на фронте спада выходного напряжения, аналогичный временной интервал для нарастающего выходного напряжения. Рис. 8 5 наглядно иллюстрирует это соотношение.

Из схемы на рис. 8.1 видно, что -уро-вень лежит значительно ниже напряжения питания и сильно зависит от сопротивления нагрузки. Для устранения этого недостатка схемы можно, как изображено на рис. 8.6, включить эмиттерный повторитель.

Когда транзистор заперт, выходной ток течет через транзистор эмиттерного повторителя При этом величина нагрузки для коллекторного резистора остается достаточно малой.

Рис. 8.5. К определению времени прохождения импульса.

Когда транзистор открыт, потенциал его коллектора падает и выходное напряжение эмиттерного повторителя также уменьшается.

Рис. 8.6. Инвертирующий оконечный каскад для цифровых схем.

При емкостном характере нагрузки ток разряда конденсатора должен протекать через выходные цепи схемы. Так как транзистор в этом случае оказывается запертым, следует предусмотреть диод который замкнет цепь тока разряда конденсатора через открытый транзистор При этом, однако, повышается выходное напряжение ключа в - состоянии приблизительно до 0,8 В.