Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 52
Текст из файла (страница 52)
прямым, и транзистор работает в режиме двойной инжекции. Однако до тех пор, пока прямое напряжение на коллекторном переходе остается меньше напряжения отпирания (0,5-0,6) В, инжекция коллектора несущественна и ток коллектора продолжает расти пропорционально току базы. Только в точке 3, при токе 1бз, когда прямое напряжение У„б достигает напряжения отпирания (а потенциал коллектора соответственно падает до 0,1 В), инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению коллекторного тока и этот ток остается далее практически неизменным.
1 Па рис. 8.3 и далее для нахождения рабочих точек используется метод ликой нагрузки. Это способ графического определения тока и потенциала в общей тачке последовательно включенных элементов с использованием ВАХ этих элементов.ио оси напряжений откладывается заданное напряжение(в данном случае величины Е, или Е„) и иэ этой точки проводится вольт-амперная характеристика нагрузки (в данном случае — резисторов Е, или Е„). Точка пересечения обеих характеристик — оснсвяой и нагрузочной — определяет ток и напряжение з той илн иной цепи.
8.2. Статический режим простейшего биполяриого ключа 287 (8.1) Уэст Укэ + Екигки~ где Угл — разность напряжений на переходах, 1„„г, — падение напряжения на омическом сопротивлении коллекторной области транзистора. Для определения первой составляющей воспользуемся физической моделью биполярного транзистора в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 8.4: Хд, — — — "'(е "тот — 1)— ток через эмиттерный диодный элемент, Х = — "' (е '"~ег — 1) — ток чеоез коллекторный диодный элемент, 1„, = Екб(е е' — е м ~'эт )— ток управляемого источника, С =С б +1 э э яэ„, С вЂ” емкость змиттерного диодного элемента, г т„ э С =С б +1 —" — емкость коллекторного дик кб як„ одного элемента, где 1, — параметр модели управляемого источника тока, В, и Вг — нор- РИ' 84.
ЗК'И'а мальный и инверсный статические коэффицибииоляриого енты усиления тока базы, т, и т„— эффективное время жизни неосновных носителей в эмиттерном и коллекторном переходах, Сэб и ф— барьерные емкости переходов. Токи базы и коллектора при заданных напряжениях У, и У„, определяются выражениями: см со -с + ко 1 в Хко Еб Вн в и Хки Екс Такой максимальный ток коллектора называют током насыщения и обозначают 1ки. Соответственно и режим двойной инжекции, характерный для открытого состояния ключа, обычно называют режимом насыщения транзистора.
Открытому (насыщенному) состоянию ключа соответствуют точки В на рис. 8.3. Управляющие ток и напряжение в открытом состоянии обозначены через 1б и Еб. Остаточное напряжение на ключе в точке В содержит две составляющие: Глава 3. Основы циФровой сквмотаннккв Откуда, исключая Уб„получаем зависимость Ук, от токов базы и коллектора: 1б б + 1ка Вг +1 (8.2) 16 1кн Вм Например, если В,д 100, Вт = 1 и 1 = 1б, то У„, к 27 мВ. Если 1„, = 10 1б, то Ука возрастает до 65 мВ. Заметим, что уменьшению составляющей У способствует прежде всего увеличение инверсного коэффициента усиления Вг Так, если в приведенном примере положить Вт = 3, то значения У„, составят 12 и 40 мВ.
Вторая (омическая) составляющая меняется в широких пределах в зависимости от тока насыщения и структуры транзистора. Например, если 1,„= 100 мкА и гк = 10 Ом (структура со скрытым слоем), то 1„нг„к = 1 мВ, т. е. вторая составляющая много меньше первой. Если же 1к„= 2 мкА и г„к = 100 Ом (структура без скрытого слоя), то 1„„гкк = 200 мВ, т. е.
вторая составляющая заметно превышает первую. Именно поэтому в ключевых ИС всегда используют скрытые слои. Обычно полное остаточное напряжение составляет 60-100 мВ. Критерий насыщения. Из рис. 8.3 нетрудно получить следующие выражения для отпирающего тока базы и тока насыщения коллектора: 1б =(Е„"-У*)/Вб', 1кн = (Ек Уо т)Фк = ЕкlВк (8.3а) (8.36) Поскольку напряжение У* слабо зависит от тока, можно считать, что в режиме насыщения токи ключа определяются внешними цепями (Еб, Вб и Ек, Вк). Иначе говоря, при расчете ключа токи 1б и 1к, можно считать заданными, независимыми величинами, а напряжения — функциями токов.
Формальным критерием насыщения ключа (т. е. режима двойной инжекции) является условие, чтобы напряжение на коллекторном переходе было прямым. Однако в тех случаях, когда заданы токи, такой критерий неудобен. Вместо него используют так называемый токовый критерий насыщения: Вн1б ь 1к' (8.4) 229 З.2.
Статический решим простейшего биполярного ключа Суть этого критерия состоит в том, что ток базы должен превышать значение, при котором ток коллектора достигает значения 1„„. Неравенство (8.4) должно быть достаточно сильным, чтобы неизбежные изменения входящих в него величин не приводили к выходу ключа из насыщения и соответственно к резкому возрастанию остаточного напряжения. Силу неравенства (8.4) характеризуют особым параметром — степенью насыщения: Я = Вь Тб ~11кн (8.5) Значение Я = 1 соответствует границе с активным режимом, значение Я = ос — нулевому коллекторному току, а значение Я = В36 — равенству базового и коллекторного токов. На рис. 8.8, б степень насыщения составляет Я = 2. Параллельное соединение ключей.
На практике часто один источник напряжения Еб управляет несколькими ключами. Тогда участки база — эмиттер этих ключей оказываются вклю- гс а 1/2 14 о и,', и. и," и, с) 6> Ркс. З.б. Параллельное соединение ключей: о — схема; б — распределение токов ченными параллельно. На рис. 8.5. показана схема двух параллельно включенных ключей. Очевидно, что общий ток 1 распределяется (делится) между базами." 16 161 + 162 Если транзисторы и их режимы идентичны, то общий ток делится между базами поровну: 10 — 3423 хб1 хбз,)2 хб Глава 8. Осиовм цифровой схеиотехиики Если же входные ВАХ неидентичны, то распределение тока 1б при одном и том же напряжении У* может быть весьма неравномерным. Причиной различия входных ВАХ может быть характер нагрузки.
Пусть один транзистор находится в активном режиме, а другой — в глубоком насыщении, что, согласно 8.2, соответствует остаточному напряжению В Токи базы транзисторов определяются выражениями: бтт 1ко от = — е В, 1бз У~„ тко От ~бз Ву + ко От " ("И (8.6) т.е. — =1 т —. 1б1 1+ В1 При Вн» В1 ббльшая часть полного тока базы параллельно включенных транзисторов попадает в насыщенный транзистор и симметрия распределения базового тока нарушается. Выравнивание токов базы может быть достигнуто включением одинаковых сопротивлений последовательно с базами каждого транзистора (на рис. 8.5 показаны штриховыми линями). Последовательная ключевая цепочка.
Отдельные ключи используются главным образом в аналоговых схемах. Для цифровых схем характерна совместная работа нескольких ключей— ключевые челочки. В таких цепочках каждым ключом управляет предыдущий и сам он, в свою очередь, управляет последующим. Рассмотрим последовательную цепочку ключей на рис. 8.6.
Ключ Т4, показанный штриховой линией, пока не будем учитывать. Если транзистор Т1 открыт и насыщен, то потенциал У„и равный ему потенциал Убз близки к нулю, а значит, транзистор Т2 заперт. Тогда в базу транзистора ТЗ протекает ток от 8.2, Статический режим простейшего биполярного ключа 281 источника Е„через резистор В„, и транзистор Т8 открыт. Таким образом, длл последовательной цепочки характерно чередование открытых и закрыть«х ключей. Эквивалентные схемы для коллекторных цепей насыщенного и запертого транзисторов показаны на рис.
8.7. Эти схемы позволяют определить режим базовых цепей управляемых транзисторов. Сравнивая схему на рис. 8. 7, а с общей схемой на рис. 8.2, запишем параметры базовой цепи запертого ключа: Рнс. 8.8. Ключевая пеночка Ее = У„т = О; Ве -- О, (8.7а) Ес мЕк; Вб =Вк. (8.76) Подставляя значения (8.76) в выражение (8.3а), получаем величину отпирающего тока базы: 1' = (ń— У*)/В . (8.8) ь с» о ~я~", ! и ж! ко! он! вй! 3 о о,! ! ! б) о) Рис. 8СП Зкаивалентные схемы ключа: о — а запертом состоянии; б — в открытом (насыщенном) состоянии где Еб — «запирающее» напряжение. Сравнивая схему на рис. 8.7, б с общей схемой на рис.
8.2, запишем параметры ба- зовой цепи открытого ключа: Глава В. О«вовы лкфровой схемотехвккк Коллекторный ток насыщенного транзистора выражается той же формулой (8.36), что и в «изолированном» ключе: /кк (Ек Уос»)/Ек Ек/Лк (8.9) Как видим, коллекторный и базовый токи в последовательной цепочке почти одинаковы. Подставляя (8.8) и (8.9) в критерий насыщения (8.4), получаем ограничение на коэффициент усиления: В > Е„/(Š— У*). (8.
10) Даже при минимальных напряжениях питания .Е„= 1 — 1,2 В получаем В > 2,4 — 3,3, что легко выполнить в обычных рабочих режимах. Степень насыщения ключа в последовательной цепочке согласно (8.5) записывается следующим образом: Я =- В (Š— У*)/Е„. (8.11) При обычных напряжениях питания (3 — 5 В) степень насыщения может достигать значений 50-100 и более. В заключение подчеркнем, что напряжение на ключе, работающем в цепочке, меняется в более узких пределах, чем на отдельном, изолированном ключе. Действительно, у изолированного ключа в запертом состоянии имеем: У„= Е„(см.
точку А на рис. 8.3, б), тогда как у запертого ключа, работающего в цепочке (Т2 на рис. 8.6), У„= У*. Эта особенность обусловлена тем, что коллектор запертого транзистора соединен с базой следующего, открытого транзистора. Нагрузочная способность ключа. Типичным для ключевых схем является сочетание последовательного и параллельного соединения ключей.
А именно, в последовательной цепочке каждый транзистор может управлять не одним, а несколькими параллельно включенными ключами. Например, на рис. 8.6 штриховыми линиями показано, что транзистор Т2 управляет не только ключом Т3, но одновременно и ключом Т4, а в общем случае еще рядом ключей.
Нагрузочкой способностью называют количество параллель но включенных ключей, которыми способен управлять данный ключ. Обозначим это количество через и. В З. Перехедпме преяееем в простейшем бппелярпем клш те 293 Предположим, что суммарыый отпирающий ток (8.8) делится поровну между и базами; тогда в каждом из параллельно включеныых ключей 1 Ек — У б1 и В„ Ток 1б» должен удовлетворять критерию насыщения (8.4), где коллекторный ток 1„„по-прежнему определяется выражением (8.9).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
