L_11 (Конспекты лекций)

1Лекция № 11.КОММУТАТОРЫ, КОМПАРАТОРЫ НА БИПОЛЯРНЫХИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.План1. Введение.2. Аналоговые коммутаторы на биполярных и полевых транзисторах3. Компараторы: определение, структура, принцип действия.4. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики.5. Интегральные компараторы6. Выводы.1.

Введение.В устройствах цифровой электроники обычно используются сигналыдвух уровней ─ высокого и низкого. Такие сигналы называют цифровыми.При работе с цифровыми сигналами нет необходимости задумываться обособенностях электрических процессов в электронной схеме, котораяобрабатывает сигнал.

Электронные схемы, которые обрабатывают цифровойсигнал, называют электронными ключами.В информативной электронике используются также ключи, которыеимеют другое назначение, а именно ─ соединять или разъединять источниквходного сигнала, содержащего информацию аналогового и приёмник этогосигнала. Сигналы, не являющиеся цифровыми, называются аналоговыми, асхемы, реализующие эту функцию, называются аналоговыми ключами,которые правильнее было бы называть аналоговыми коммутаторами. Дело втом, что этот вид ключей предназначен для подключения или отключенияисточника входного аналогового сигнала от приёмника этого сигнала.

Длякоммутациианалоговыхсигналовиспользуютсякоммутаторыпоследовательного, параллельного, последовательно-параллельного типов.22. Коммутаторы на биполярных и полевых транзисторах.Коммутаторы на биполярных транзисторах.На рис.11.1 показана простейшая схема параллельного аналоговогокоммутатора на биполярном транзисторе. Рассмотрим его работу.RUвхUвыхRб IбIкIк0Iб1UкэUостUкэUупрIб2 >Iб1Рис.

11.2.Рис.11.1.Uвх ─ входное напряжение, поступление которого в нагрузку зависит отисточника управляющего сигнала (Uупр). Напряжение Uвх может быть какположительной, так и отрицательной полярности. Если коммутаторнаходится в состоянии «включено», то его выходное напряжение должнобыть равно входному. Если же коммутатор находится в состоянии«выключено», то его выходное напряжение должно быть равно нулю. Нарис.11.2 представлены выходные характеристики транзистора в активномрежиме (эмиттерный переход находится под прямым напряжением, аколлекторный ─ под обратным).

Состоянием транзистора «дирижирует»источник напряжения Uупр. Когда от источника управляющего напряжения навход транзистора подаётся запирающий сигнал, транзистор закрывается. Приэтом выходное напряжение равно входному. Когда транзистор открывается,его сопротивление становится очень малым и фактически он закорачиваетцепь и напряжение на выходе становится равным нулю.3Одним из недостатков аналогового коммутатора, выполненного набиполярном транзисторе, который используется в прямом включении,является то, что его выходные характеристики не проходят через началокоординат (рис.11.2).

При этом точка перехода коллекторного тока черезнуль соответствует какому-то остаточному напряжению на участкеколлектор-эмиттер. Назовём это напряжение остаточным (в литературе егочасто называют напряжением смещения). Величина напряжения Uкэ = Uост ≈10 … 100 мВ.Чтобы ослабить этот недостаток, то есть уменьшитьостаточное напряжение, транзистор ставят в инверсный режим (рис.11.3).Базовый ток при этом не меняем.RIэUвхUвыхIэRб IбIб2 >Iб1Iб1Uинв0UэкUэкUупрIкРис.

11.4Рис. 11.3Как видно из ВАХ транзистора (рис.11.4) в инверсном включенииостаточное напряжение значительно уменьшилось (Uэк = Uинв ≈ 1… 5 мВ).Чтобы транзисторная цепь была низкоомной, необходимо базовый токподдерживать в пределах нескольких миллиампер. При этом токи коллектораи эмиттера не должны превышать этих значений. Остаточное напряжениепри токе коллектора и токе эмиттера, равных нулю, будет очень малым.Коммутаторы на полевых транзисторах.4В лекции № 4 подробно рассмативались ВАХ полевых транзисторов ─и для МОП-транзисторов, и для транзисторов с управляющим p-n-переходом.Для анализа аналогового коммутатора на полевом транзисторевоспользуемся его стоковой ВАХ (рис.11.6).мA Iс50VTUвхUвыхRнUупрБАIс40302010Рис.11.5.UО246UРис.11.6.8си10 ВсиВ пределах отрезка «ОА» полевой транзистор можно рассматривать какомическое сопротивление, которое можно изменять в широких пределах спомощью управляющего напряжения на затворе.

На рис.11.5 показана схемапоследовательного коммутатора на полевом канальном транзисторе (натранзисторе с управляющим p-n-переходом). Рассмотрим работу этогокоммутатора.Если уровень управляющего напряжения на затворе будет меньше, чемвозможное входное напряжение, то транзистор будет заперт, и напряжениена выходе коммутатора станет равным нулю. Чтобы транзистор былполностью открыт, необходимо поддерживать напряжение на затворе,равном нулю. Но потенциал истока не остаётся постоянным, поэтому иуровень управляющего напряжения меняется.

Недостаток этот можноустранить включением в цепь затвора полупроводникового диода. При этом.если управляющее напряжение будет больше максимально возможного5входного напряжения, диод закроется, и на затворе установится напряжение,равное нулю. Напряжение на выходе станет равным входному. А еслиуправляющее напряжение будет большим, но отрицательным, то диодоткроется, передав на затвор отрицательное напряжение. Транзисторзакроется.Внимание. Попробуйте составить такую схему, опираясь на схему, которуютолько что рассмотрели.

Не забудьте, при этом, создать цепь для протекания токаоткрытого диода на время, пока полевой транзистор закрыт. Эта цепь свяжет цепьвходного сигнала с источником управляющего сигнала, но бояться этого не надо:транзистор закрыт, работа коммутатора не нарушится.Предупреждение. Не ставьте в цепь входного сигнала разделительныйконденсатор, который, зарядившись до уровня управляющего напряжения, нарушитрежим коммутатора.Избавиться от всех перечисленных недостатков можно, если в качествекоммутатора использовать МОП-транзистор, но ещё лучше ─ КМОП-схему.На рис 11.7 дана схема последовательного коммутатора на МОПтранзисторе. Чтобы p-n-переходы между подложкой-истоком и подложкойстоком не пришли в прямосмещённое состояние, на подложку заводитсянапряжение «+Еп».Uупр+ЕпRнUупрUвыхVT1UвхUвхVT2Рис.11.7-- UупрРис.11.8.RнUвых6Чтобы МОП-транзистор в схеме (рис.11.7) привести в открытоесостояние, управляющее напряжение должно быть больше максимальноговходного напряжения.

А чтобы увеличить диапазон входных напряжений какположительной, так и отрицательной полярности лучше использоватьКМОП-схему (рис.11.8).КМОП-схема представляет собой два МОП-транзистора с каналамиразной проводимости, и объединённых в одно целое (рис.11.8). ТранзисторVT1 ─ это транзистор с n-каналом, VT2 ─ с p–каналом. На затворы обоихтранзисторов поступает управляющее напряжение. Так как в КМОП-схемеиспользуются транзисторы с каналами разной проводимости, то важно,чтобы на затворы поступали напряжения разной полярности и достаточнобольшой величины (хотя бы в 2 раза больше опорного).

При малыхзначениях входного сигнала оба транзистора будут открыты. Еслиположительное входное напряжение сильно возрастёт, то режимытранзисторов изменятся: уменьшение напряжения на затворе VT1 иувеличение его внутреннего сопротивления будет сопровождатьсяувеличением напряжения на затворе транзистора VT2 и уменьшением еговнутреннего сопротивления. Чтобы выключить коммутатор, надо изменитьполярность управляющего напряжения. В переходных процессах при сменеполярности управляющего напряжения возникает импульс помехи. Дело втом, что через проходную ёмкость «затвор-канал» на выход коммутаторапередаётся импульс напряжения ─ это импульс помехи. Чтобы помеха ненарушила работу коммутатора управляющее напряжение не должно бытьслишком большим.3. Компараторы: определение, структура, принцип действия.Устройство сравнения аналоговых сигналов (компаратор) выполняетфункцию сравнения либо двух (или более) входных сигналов между собой,либо сравнение одного входного сигнала с опорным сигналом (эталонным),которое называют порогом срабатывания устройства сравнения; в этомслучае на выходе устройства сравнения формируются только два уровнявыходного сигнала – высокий и низкий, которые могут отличаться как повеличине, так и по знаку..7Если в качестве схемы сравнения используется обычный ОУ, то навыходе формируется напряжения противоположной полярности припрактически равных абсолютных значениях.Если в качестве схемы сравнения используются специализированныеинтегральные схемы, то на выходе формируются напряжения однойполярности.

При этом выходные сигналы компаратора согласованы повеличине и полярности с сигналами, которые используются в цифровойтехнике.Вывод. Входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, авыходной – цифровой. По этой причине компараторы часто используютсякак аналого-цифровые преобразователи, так как они выполняют рольэлементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствамиКомпараторы относятся к специализированным ОУ, в которыхнормальным режимом является нелинейный режим работы каскадов.На рис.11.9 представлена структурная схема компаратора.Первый каскад компаратора (ДУ) определяет все основные входныепараметры (входные сопротивления, входные токи, их температурныедрейфы и др.), поэтому, этот каскад за малый промежуток времени, приминимальной потребляемой мощности, должен обеспечивать максимальныйсигнал для переключения промежуточного каскада.ДУП ром еж у т оч ны йу с илит ельФ орм ировател ьуровняUвы хРис.11.9.Структурная схема компаратораОднако, в полупроводниковых компараторах, предназначенных дляточного сравнения (δ ≤ 10-3) быстро меняющихся сигналов большойамплитуды, ДУ работает в нелинейном режиме только в течение временипереключения выходного напряжения.

Следовательно, требования,8предъявляемые к ДУ, получаются противоречивыми, поэтому, использованиесхемотехнических и технологических средств, позволяет добитьсяустранения насыщения транзисторов ДУ.Приёмниками выходных сигналов компараторов обычно являютсялогические схемы, поэтому выходные напряжения каждого компараторанапряжения согласуются с ТТЛ, ТТЛШ и КМОП-логическими схемами.В зависимости от того, какой уровень напряжения (входной илиопорный) будет больше, на выходе компаратора устанавливается напряжениелогического нуля или единицы. Современные компараторы схемотехническиразличаются по конструкции формирователя уровня (ФУ): ФУ может бытьэмиттерным повторителем, одновходовым или дифференциальнымусилителем, логическим элементом. Но, в любом случае, независимо отконструкции, ФУ должен быть усилителем мощности, который сформируетна выходе компаратора соответствующие логические уровни напряжений:или U0, или U1.В компараторах напряжения один динамический параметр — времяпереключения выходного напряжения (иначе — время восстановления).Быстродействие компаратора принято характеризовать «временемвосстановления» (переключения) — это промежуток времени от началасравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порогасрабатывания логической схемы.Существуетстандартнаяметодикаизмерениявременивосстановления (рис.11.10а): на неинвертирующий вход ОУ подаётсянапряжение перегрузки, равное 100 мВ, а на инвертирующий вход —перепад напряжения той же полярности (импульсное напряжение), нобольшей амплитуды (105 мВ).