Минаев Е.И. - Основы радиоэлектронники (1266569), страница 62
Текст из файла (страница 62)
13.31. Соседние гармоники влияют также на фазу результирующего напряжения, что в ряде случаев является нежелательным. Н. А. Бруевич 116) показал, что для облегчения фильтрации соседних гармоник угол отсечки при умножении частоты желательно брать больше оптимального из энергетических соображений. С другой стороны, для автоматического поддержания постоянства амплитуды гармоники, выделяемой умножителем, прн изменении режима питания, старении кварцев и действии других дестабилизирующих факторов желательно работать при углах отсечки, которые больше энергетически оптимальных.
Действительно, если амплитуда колебаний на входе умножителя уменьшится, то амплитуда и-й гармоники, равная )та = Сапах мах, изменится вследствие уменьшения 1„п,„в меныпей степени, так как коэффициент а увеличится и приблизится к значению сс„ Кроме описанного в данном параграфе принципа умножения частоты существуют и другие. В частности, при умножении часто- Рис. 13.31. Влияние саседвих неполностью отфильтрованных гармоник на форму напряжения, выделяемого контуром умножителя ты в диапазоне СВЧ широко применяются варакторные умиожители, использующие зависимость емкости от амплитуды. Более подробно вопросы, описанные в данной главе, рассматриваются в [17, 18).
Глава 14 ЭЛЕМЕНТЫ ИМПУЛЬСНОЙ И ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ 14,1. ТРАНЗИСТОР В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ Статический режим. На рис. 14.1 приведена схема транзисторного ключа, управляемого напряжением генератора, которое подается через сопротивление на базу. Входная характеристика транзистора — зависимость тока базы от напряжения база — эмиттер — является экспоненциальной функцией: 1в=Т,(ехр(иээ)(У.) — Ц =1.
ехр (авэ)(ут). (14.1) Хотя ток базы отличен от нуля при любом сколь угодно малом напряжении база — эмиттер, фактически этот ток становится заметным лишь при напряжении база — эмиттер больше порогового. Обычно для кремниевых транзисторов (Увэч,р=0,5 — 0,6 В, для герм аниевых — (Увз „,р = 0,1 — 0,15 В, Идеализированная входная характеристика кремниевого транзистора в виде наклонной ломаной линии показана на рис. 14,2,а. Там же показана прямая линия, наклон которой соответствует сопротивлению резистора в цепи базы. Она проведена из точки, соответствующей напряжению генератора, действующего в базовой цепи.
Напряжение база — эмиттер является абсцнссой точки пересечения этой линии с входной характеристикой транзистора. При напряжении генератора, равном нул1о, илн положительном, но меньшем, чем пороговое напряжение база — эмиттер, базовый ток практически равен нулю. Можно также считать, что при этом и коллекторный ток равен нулю.
Напряжение коллектор — эмиттер в этом случае ча равно напряжению источника питания в коллекторной цепи. На рис. 14.2,а, в пока- ч казано положение рабочей точки Л. Если напряжение генератора (см. 4 рис. 14.1) увеличить, то напряжение база— эмиттер становится больше порогового и йи течет базовый ток. На выходных характе- кх ристиках (рис. 14.2, б) рабочая точка может перемешаться вдоль нагрузочной ли- нии, причем участок Мйг соответствУет ак Рис. 14.1. схема тракзя- тивной области режима работытранзистора.
стээкого ключа с оэ е И е Е„ ээаап ээ пг еа ккэ е ээээ "э е ю бу Рос. 14.2. Характеристики транзисторного ключа с ОЭ: а — ахадааа', б — аыхадаые; а — пеоедатечааа На передаточной характеристике (рис. 14.2,в) этот участок соответствует резкому изменению выходного напряжения от входного. Для кремниевого транзистора участок МЖ простирается от порогового напряжения сгва „,р--0,6 В до напряжения насыщения база — эмиттер Увэппе=08 В. При напряжении база — эмиттер, вызывающем насыщение, коллекторное напряжение резко падает.
Оно может быть примерно от 0 до 0,4 В, причем большему напряжению насыщения коллектор— эмиттер соответствует меньшее коллекториое сопротивление. 1-!апомним, что режим насыщения определяется как режим, при котором в прямом направлении смещен не только эмиттерный, но и коллекторный р-и переход. Например, при напряжении Уваппе=+0,8 В напРЯжение коллектоР— база может быть Равным Икв= — 07 В, а вапрягкение Ока .=Укв+()ва= — 07+ +0,8=+0,1 В. О степени насыщения транзистора судят, сравнивая базовый ток с минимальным базовым током, вызывающим насышение. При иасышении 7к .= ((7п — Укз е))Й =Из)й .
Если коэффипиент передачи тока транзистора при больших сигналах равен пг,а, то минимальный ток базы, вызывающий насыщение, равен )аппп=)тс а гтег1а. (14.2) Степень насыщения о = т Б|)Б поп = йг1ат Б/т к нас. '(14.3) Динамический режим. Пусть напряжение генератора, управляющее переключением ключа, имеет ступенчатую форму (рис. !4.3). На том же рисунке показано, что базовый ток начинает течь не в момент положительного перепада напряжения генератора, а с запаздыванием на время 1,ф.
Это время необходимо для того, чтобы входная емкость, а также емкости эмиттерного и коллекторного переходов зарядились через базовое сопротивление и напряжение база — эмиттер достигло порогового значения, отпирающего транзистор напряжения. При достаточно большом перепаде напряжения входного генератора можно пренебречь напряжением база — эмиттер и считать 312 базовый ток постоянным, что и показано на рис.
14.3. Прн заряде указанных емкостей постоянным током напряжение база — эмиттер изменяется линейно от напряжения отпирания транзи- а б стора до напряжения, вызывающего 1 насыщение. Для простоты зависимость коллекторного тока показана в виде наклонной прямой линии, достигающей значения тока насыщев б, бвв бв ния. После того как коллекторный ток достиг значения тока насыщения, он больше не растет, но при этом продолжает накапливаться Рнс.
14.3. Временные завкспмоза д в базе, стк нзмекеннн токов базы к колзар д в азе. за яд в лектора прн прямоугольном ка. Заряд в базе продолжает нара- рактерс изменения напряжения стать и достигает стациопарного генератора, управлнющега рабе. значения, зависящего от степени той транзисторного ключа с Оэ насыщения.
В момент отрицательного перепада управляющего напряжения на входе ключа базовый ток изменяет полярность, так как происходит рассасывание заряда При этом коллекторный ток остается равным току насыщсния, пока не завершится рассасывание избыточного заряда и режим транзистора достигнет границы активной области. После этого коллекторный ток асимптотически стремится к нулю. В соответствии с изложенным (см. рис, 14.3) время вклбоченил транзистора ~вал 1в м + 1в где 1,.бб — время задержки фронта импульса коллекторного тока; 1„— время нарастания фронта импульса коллекторного тока, часто называемое временем или длительностью фронта.
Врелбя выключения 1выаз = 1в.в+ 1в, (14.5) где 1в,в — время задержки среза импульса; 1,— время или длительность среза импульса. Для определешюсти длительности среза и фронта измеряют как время изменения коллекторного тока от О,! до 0,9 тока насыщения. Среднее время задержки распространения сигнала. Быстродействие ключа характеризуют средним временем задержки распространения сигнала, равным 1 в д р = 0,5 (1взл+ 1выза) . (14.6) Повышение быстродействия. Для уменьшения времени задержки фронта и времени включения иногда применяют ускоряющий конденсатор. Он подключается параллельно базовому сопротив- 313 и„лению в схеме на рис. 14.1 и при достаточной емкости передает почти все напряжения Е, на базу транзистора.
В микросхемах нежелательно применять конденсаторы, занимающие большую площадь, поэтому этот метод применяется редко. л, Быстродействие микросхем повышают, используя диод Шотки (рис. 14.4), который включают между базой и эмиттсром транзистора. Напряжение отпирания диода Рис 14.4. Схема чраи- Шотки (0,4 В) несколько меньше, чем колаистораого ключа с лио- лекторного перехода (0,5 — 0,6 В). Диод лом Шатки Шотки препятствует накоплению зарядов в базе транзистора и сам не накапливает зарядов. У диода Шотки отсутствует диффузионная емкость, а имеется только барьерная.
Объясняется это тем, что ов работает на основных носителях. Его выпрямляющий контакт является контактом типа металл — полупроводник, причем металл напыляется на эпитаксиальный слой полупроводника. Подключение диода Шотки значительно повышает быстродействие транзисторного ключа. Недостатком схемы является некоторое остаточное напряжение коллектор — эмиттер, когда транзистор полностью открыт. В самом деле, если (/во=0,8 В, а Укв= — О, (/~ =(/ +(/ = — 0,4+0,8=0,4 В. Там же было показано, что при ил=4(/т=0,1 В б! 1=0,96!о/2. Очевидно, что при этом ток первого транзистора равен !к1 =!о/2+ + 0,96!с/2 = 0,98!а а ток второго транзистора !ка=0,02!а, Следовательно, для перевода переключателя тока из одного состояния в другое аа Рис. 14во.
Схема переключатели тока 144Е ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ТОКА Дифференциальный усилитель, подробно описанный в гл. 1О! широко используется в качестве ключевой схемы. Схема переклю- ' чателя тока (рис. 14.5) получила свое название вследствие того, что ток , г ! генератора стабильного тока (ГСТ) переключается гой. Пс еклюв ходным напряжением из одного транзистора в другой. ср чатель тока является дифференциальным усилителем, на д о ин вход которого подано постоянное напряжение, называемое опор- С а ический режим. В гл. 10 было показано, что приращение коллекторного тока дифференциального усилителя согласно ( .
) равно /4/к = (!а/2) 1)т (иа/2(/,), '(! 4.7) достаточен перепад постоянного напряжения на входе схемы Ли,„= =0,1 В. Динамический режим. Изучая динамический режим, следует иметь в виду, что для быстродействия переключения не допускается работа транзисторов в режиме насыщения. Зто достигается выбором коллекторпых сопротивлений при заданных значениях тока генератора стабильного тока и напряжения источника питания. Следовательно, оба транзистора работают в активном режиме.
Предположим, что в начальный момент времени токи транзисторов РТ! и 7Т2 равны и на вход схемы подан перепад напряжения ЛЕ„.. Тогда через сопротивление Я„, к которому следует добавить распределенные сопротивления базы обоих транзисторов, начнется заряд эмиттерных переходов. Изменение напряжения на переходах вызывает изменение коллекторных токов в противоположных направлениях, но сумма эмиттерных токов остается постоянной и равной току генератора стабильного тока. Скорость перезаряда емкостей зависит от постоянной времени цепи заряда, в которую входит выходное сопротивление эмиттерного повторителя, Известно, что оно равно )(...~= (Л.+Йп.)/(пм.+ + 1). Чтобы на выходное сопротивление мало влияло сопротивление генератора, необходимо выполнить условие Йа' бпла.
(14.8) Это условие легко выполняется. В микросхемах Й,.=300 — 600 Ом. Например, в ключевых микросхемах переключатель тока управляется также переключателем тока. В этом случае сопротивлением генератора является коллекторное 'сопротивление предыдущего каскада, которое и выбирается в указанных пределах с учетом того, чтобы транзисторы не заходили в режим насыщения. Изложенное показывает, что высокое быстродействие переключателя тока обусловлено следующими факторами: способностью срабатывания схемы при малых перепадах напряжения порядка 0,1 В, тогда как обычно в ключевых схемах перепады напряжения значительно превышают это значение; работой открытого транзистора ключа без насыщения, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
