Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Когда транзистор насыщен, переход база-эмитгер обладает объемным зарядом. Этот переход ведет себя как заряженная емкость при переключении напряжения на базе транзистора от высокого уровня к низкому, что замедляет работу транзистора. Длительность фронта выходного сигнала зависит от скорости переключения транзистора и емкости коллекторной цепи. Если транзистор соединяется с электроникой на другой плате с помощью длинного кабеля, эта емкость может оказаться значительной.
Добавление конденсатора к резистору базы, как показано на Рис. 11.6в, увеличивает скорость включения и выключения транзистора. Емкость обладает довольно низким сопротивлением для импульсных сигналов, быстро перезаряжая базу транзистора. Типичная величина емкости — порядка 220 пФ, хотя для транзисторов большей мощности может понадобиться большая величина.
Длительность фронта импульса тока коллектора может быть снижена уменьшением величины нагрузочного резистора. Однако снижение сопротивления этого резистора увеличивает потребляемый ток и рассеиваемую мощность. Также при снижении этого сопротивления потребуется увеличивать базовый ток. Эти методы позволят ускорить работу транзистора в ключевом режиме, но транзисторные схемы все равно не смогут 11. 7. МОП-транзнсторы ° 297 обеспечить скорости переключения, достигаемой логическими ИС или специальными драйверами. Биполярные транзисторы, в основном, находят применение в системах управления напряжением или током без применения микроконтроллеров или микропроцессоров. 1 1.6.3.
Вмооковолотнме клгочи В некоторых случаях требуется подключить к нагрузке напряжение питания, вместо соединения с землей. На Рис. 11.бг показана схема с применением для этих целей р-п-р-биполярного транзистора. Эмитгер р-и-ртранзистора соединяется с шиной питания положительной полярности (эмиггер п-р-и-транзистора обычно заземлен), и подача на базу транзистора напряжения низкого уровня открывает транзистор. Резистор между эмитгером и базой транзистора гарантирует, что транзистор будет закрыт, пока на базу не подадут напряжение низкого уровня. Все замечания относительно тока базы и-р-и-транзистора остаются в силе и для биполярного р-и-р-транзистора.
Ток базы в этом случае максимален, когда на выходе микроконтроллера установлен НИЗКИЙ логический уровень. В некоторых случаях требуется более высокое напряжение для исполнительного устройства, чем напряжение питания микроконтроллера. Например, микроконтроллер с питанием +3.3 или +5 В должен управлять двигателем, рассчитанным на +12 В. На Рис. 11.бд показано как совместное использование п-р-п и р-п-р-транзисторов может помочь в такой ситуации.
Маломощный и-р-и-транзистор изолирует микроконтроллер от высокого напряжения, присутствующего на базе р-и-р-транзистора. 1 1.7. МОП-транаисторы Как и биполярные транзисторы, транзисторы структуры металл-окосел-иолупроводник, или МОП-транзисторы, позволяют коммутировать напряжения и токи, превосходящие номинааьные напряжения и токи микроконтроллера.
11.7.1. Управление МОП-транзистороми Простейшая схема управления МОП-транзистором показана на Рис. 11.7а. В этой схеме МОП-транзистор переключается от сигнала с выхода микроконтроллера. Когда на выходе микроконтроллера устанавливается ВЫСОКИЙ логический уровень, МОП-транзистор открывает- 298 ° Глава П. Аналоговая схемотехника ся и пропускает значительный ток. Когда выход микроконтроллера переключается в низкий уровень, МОП-транзистор закрывается. Прн управлении МОП-транзисторами важно помнить следующие ключевые моменты: ° Выходное напряжение микроконтроллера должно быть выше порогового напряжения затвор-исток, при котором транзистор открывается.
Зта проблема больше относится к +3-В логике, чем к +5-В логике, хотя можно применять МОП-транзисторы, согласованные с логическим входом. При необходимости в цепь затвора транзистора может быть добавлен нагрузочный резистор. ° МОП-транзисторы обладают значительной емкостью затвор-исток и затвор-сток, обозначенной на рисунке, как Сзи и Сзс. В общем, чем мощнее МОП-транзистор, тем выше значения этих емкостей. В результате, если МОП-транзистор работает в системе со значительными пульсациями, например, при индуктивной нагрузке, то из-за этих паразитных емкостей может выйти из строя подключенный к затвору транзистора микроконтроллер.
° Время включения МОП-транзистора ограничено скоростью возрастания напряжения на затворе и емкостью затвор-исток. Поскольку выходной ток микроконтроллера ограничен величиной нагрузочного резистора, скорость переключения МОП-транзистора также ограничивается. ° Если применяется нагрузочный резистор в цепи затвора МОП-транзистора для формирования требуемого напряжения открывания, время открывания будет ограничено сопротивлением нагрузочного резистора и емкостью затвор-исток транзистора.
Таким образом, при заданном сопротивлении, скорость переключения МОП-транзистора будет зависеть от выходного тока микроконтроллера. Многие из перечисленных проблем можно преодолеть, применив специализированную ИС драйвера МОП с вольтодобавкой, как показано на Рис. 11.78.
В данной схеме используется ГГС драйвера с валыввдвбавкой МАХ5048 фирмы МАХГМ/Вайаз. ИС МГлХ5048 работает от логических сигналов на входе при напряжении питания до +12.6 В. В ИС МАХ5048 предусмотрены отдельные р-канальный и н-канальный выходы. На рисунке показан резистор К1, который может быть подключен либо к р-канальному выходу, либо к н-канальному. Подключение К1 последовательно с р-канальным выходом ограничит скорость нарастания напряжения на затворе, то есп время включения МОП-транзистора, в то время как подключение К1 к и-канальному выходу ограничит скорость спада напряжения и время выключения транзистора.
11.7. МОП-гпранзислгори ° 299 Нагртэочный 1жаисго1г мспчранзисто с кемпом п-пам с каналом п.гипа а1 моп-гра а с с каналом р-ги яг Нмртаочный ракисчкгр 12 в чт1 мсп-гамп стар с каналом и-гипа Яа Нагрткочиый рааисгор Рис. 11.7. Управление МОП-транзисторами 11.7.2. МОП-транзистор для коммутации В некоторых случаях требуется источник тока нагрузки. Простейший путь реализации этого источника — использование р-канального МОП- транзистора, как показано на Рис. 11.7в. В данной схеме ИС МАХ5048 используется для управления р-канальным МОП-транзистором. Заметим, что исток р-канального МОП-транзистора подключается к источнику питания положительной полярности, а напряжение на затворе транзистора следует переключать в низкий уровень для того, чтобы транзистор открылся.
ЗОО ° Глава 1!. Аналоговая схемотехника Трудность применения р-канальных транзисторов в том, что они дороже аналогичных и-каначьных и обладают большим сопротивлением канала, приводяшим к увеличению рассеиваемой мошности. В некоторых случаях импульс напряжения на нагрузке может проникнуть через емкость затвор-исток на затвор М ОП-транзистора и открыть его. Этот эффект может быть вызван индуктивной нагрузкой либо другим транзистором, замыкаюшим нагрузку на землю в тот момент, когда р-канальный транзистор закрыт. По этой причине л-канальные транзисторы оказываются более предпочтительными и для переключений на стороне высокого напряжения. Основная трудность при использовании л-канальных МОП-транзисторов на стороне высокого напряжения — достижение необходимого напряжения затвора.
Для включения л-канального транзистора, напряжение на затворе должно быть выше напряжения истока, потому что в приложениях с коммутацией высокого напряжения к нагрузке подсоединяется исток, Это значит, что напряжение на затворе транзистора должно быть выше напряжения питания. В большинстве случаев МОП-транзисторы коммутируют нагрузку при самом высоком напряжении в системе. В этом случае есть два варианта; применить драйвер с вольтодобавкой (Ьоовдгар) или дополнительный преобразователь напряжения. Простейшим решением является использование преобразователя напряжения, см. Рис. 11.7г. На плату добавляется преобразователь напряжения и применяется простой драйвер МОП.
Чтобы транзистор не вышел из строя, выходное напряжение преобразователя напряжения не должно превышать номинального напряжения затвора транзистора. На рисунке преобразователь напряжения формирует напряжение уровня !6В для ИС драйвера. Таким образом, напряжение на затворе будет переключаться между О и 16 В, коммутируя нагрузку между О и 12 В. ИС МОП-драйвера с вольтодобавкой (Ьооццгар) также может управлять МОП-транзистором при коммутации на стороне высокого напряжения, см. Рис. 11.7д. Для работы ИС применяется внешний конденсатор С1, который заряжается до напряжения питания, когда на нагрузке низкий уровень напряжения. Если цепь используется для коммутации ключа на стороне высокого напряжения, без драйвера со стороны низкого напряжения, емкость заряжается через нагрузку.
Если коммутируется пара МОП-транзисторов, один со стороны высокого напряжения, а другой— со стороны низкого напряжения, емкость заряжается через транзистор низкого напряжения, когда тот включен. Когда драйвер со стороны высокого напряжения включается, емкость ИС подключается так, что формирует на затворе МОП-транзистора на- 11.8. Измерение параметров сигнала отрицательной поллрности ° 301 пряжение выше напряжения питания. Обычно емкость конденсатора вольтодобавки значительно больше емкости затвор-исток МОП-транзистора, и напряжение на конденсаторе не падает во время импульса запуска.
Как бы то ни было, при запуске МОП-транзистора со стороны высокого напряжения, конденсатор вольтодобавки больше не заряжается и может разрядиться совсем. Поэтому цепи вольтодобавки обычно применяются в устройствах, где требуется периодическое включение МОП-транзисторов. Если необходимо включить транзистор на ллительное время, то необходимо использовать преобразователь напряжения. 11.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
