Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Иначе малейшее Уменьшение коэффиЦиента Вл или тока 1б пе- Глава 8. Основы цифровой схемотехнвии реводит транзистор в активный режим, а это сопровождается увеличением остаточного напряжения на ключе. Общепризнанным способом предотвратить насыщение транзистора и в то же время избежать отмеченных осложнений является использование в ключе нелинейной обратной дш е ~ге связи.
Этот способ состоит в том, что ы между коллектором и базой транзисто- 1, 1„~ 1» ра включается диод Шоттки (рис. 8.12), т для которого характерно отсутствие ыао" копления заряда неосновных носителей и малое напряжение отпирания. Когда транзистор заперт или работаРис. 8Л2. Ключ с нели- Ет В аКтИВНОМ рЕжИМЕ, ПОтЕНцнаЛ КОЛ- н'"нов ссватнсй 'в"'ью ЛЕКтсра ПОЛОжИтЕЛЕН ОтНОСИтЕЛЬНО загьссои баЗЫ; СЛЕдОВатЕЛЬНО, дИОд НаХОдИтея Шоеекн) под обратным смещеыием и ые влияет на работу ключа. Когда в процессе формирования фронта потенциал коллектора относительно базы проходит через нуль и делается отрицательным, диод отпирается и на нем устаыавливается прямое напряжение У„.
Если это напряжеыие меньше 0,5 В (что характерно для диодов Шоттки), то коллекторный переход практически заперт, а значит, исключается режим двойной инжекции и накопление избыточного заряда, свойственные режиму насыщения. Соответственно при запирании ключа будут отсутствовать этап рассасывания избыточыого заряда и задержка среза. Рассмотренная комбинация обычного транзистора и диода Шоттки получила название транзистора с барьером Шоттки.
Легко заметить, что отсутствие ыасыщения в транзисторе с барьером Шоттки обусловлено меньшим прямым напряжением на диоде (Ул ) по сравнению с прямым напряжением на кремниевом р — л-переходе (У*). Остаточное напряжение на ключе с барьером Шоттки несколько больше, чем на обычном ключе. А именно: У = У* — У„= 0,2 — 0,3 В.
Однако этот ыедостаток окупается более высоким быстродействием, поскольку транзистор все время работает в активном режиме. зоз Кз. Переключатель тока Следует подчеркнуть, что несмотря на отсутствие насыщения, ключ с барьером Шоттки мало чувствителен к изменениям коэффициента Вн и отпирающего тока, поскольку остаточное напряжение слабо зависит от этих величин, а значит, ток 1 сохраняет свое значение, определяемое выражением (8.3б).
Задержка фронта (,З и длительность фронта Š— оказываются такими же, как й в насыщенном ключе. Однако процесс запирания происходит иначе. Когда управляющий ток Е1 принимает значение 1, ток 1 в первый момент не меняется, а ток 1е изменяется на ту же величину, что и ток 11'. ЛЕз =М, =1, -Е„' <0. Поскольку транзистор находится в активном режиме, коллекторный ток под действием скачка ЛЕо уменьшается с постоянной времени т,. При этом приращения оЕ„полностью идут через диод Д и уменьшают ток 1„: (д (з) = 1д — Вн/ьЕб~(1 — е™ ), (8.31) 1 Вн 1+) ЕД/11' (8.32) Пусть, например, ~1, ~/Ет =1; тогда т =т,/2Вн.
Эта величина у современных транзисторов редко превышает О„б нс. 8,5. Переключатель тока Переключателем тока называют симметричную схему (рис. 8.13), в которой заданный ток Ес протекает через ту или иную ее ветвь в зависимости от потенциала Е/е на одном из входов.
Потенциал Е на втором входе поддерживается неизменным. где ~Ые~ — модуль приращения базового тока. Внешний ток Ез начинает уменьшаться только тогда, когда запирается диод. Полагая левую часть (8.31) равной нулю, легко найти время задержки среза. Если, кроме того, положить 1/Вн « 1 — 1~/11" (что обычно имеет место), то, разлагая логарифм в ряд, получим: зов Глава В. Основы ннфровой сленотеллнкн ьЕ„ Таким образом, первая особенность переключателя тока состоит в том, что управление осуществляется не током (как в простейшем ключе), а напряжением.
еь Вторая особенность переключателя состоит в использовании ненасыщенного (активного) режима транзисторов в открытом состоянии, что обеспечивает повы- .Еб — — Š— б (8.33а) назовем запирающим потенциалом. Если, наоборот, увеличить потенциал У на величину 6, то вместе с ним на ту же величину возрастет потенциал эмиттеров и соответственно УменьшитсЯ напРЯжение Уб,з, пРи этом Резко уменьшится ток транзистора Т2. Значит, при входном сигнале Уб > Е + б транзистор Т2 можно считать запертым, а весь ток 1э протекает через транзистор Т1.
Величину Е,' =Е+8 (8.33б) назовем отпирающии потенциалом. Таким образом„перепад потенциала ЛУб = тб около средней величины Е обеспечивает переключение тока 1о из одного транзистора в другой. Соотношения между отпирающим и запирающим потенциалами следующие: Еб -Еб =25; )з (Еб + Еб ) (8,34а) (8. 34б) шенную скорость переключения в связи с отсутствием задержки на рассасывание.
Рлс. 8ЛЗ. Переключатель Статический режим. Положим знатока чала Уб = Е. При этом открыты оба транзистора и в каждом протекает ток 0„5 1о. Потенциал эмиттеров меньше потенциала Е на величину У': У, =.Š— У*. Уменьшим потенциал Уб на величину 6 > 0,1 В. Поскольку потенЦиал У, не менЯетсЯ„напРЯжение Уб,т УменьшитсЯ тоже на величину 8 При этом ток транзистора Т1 уменьшится в десятки раз. Значит, при входном сигнале Уб < Š— 8 транзистор Т1 будет заперт, а через транзистор Т2 будет протекать полный ток 1о. Величину З.з. Переключатель тека зот Остановимся на режиме открытого транзистора.
Полагая, что открытый транзистор работает в активном режиме и учитывая, что ток эмиттера задан (1, = 1 ), получаем для токов коллектора и базы известные соотношения: 1„= сь1о; 1о = (1 — а )1о = 1о/(В + 1). (8.35а) (8.356) Потенциал коллектора определяется выражением У„= ń— сь1о В„ (8.36) Для того, чтобы обеспечить активный режим, т. е. избежать насыщения, нужно выполнить условие У„о и 0 или У„> У . Подставляя в последнее неравенство У„из (8.36) и Уо = .Ео, по- лучим Е» — о(оВа ~Ее. (8.37а) На практике данное нестрогое неравенство можно заменить равенством, так как небольшие отрицательные значения У„о не вызывают существенной инжекции в коллекторном переходе, а значит, и накопления избыточного заряда.
Тогда условие ненасыщенного режима можно записать в следующем виде: ń— а1оВа =Е' =Е+ 6 (8.376) Остаточное напряжение на транзисторе при условии граничного режима (У„о = 0) равно напряжению на эмиттерном переходе: (8. 38) Как видно из (8.36), потенциал коллектора открытого транзистора не зависит ни от входного сигнала Ео, ни от изменений коэффициента В (поскольку изменения В црактически не меняют значения а = 1).
При стабилизированном напряжении питания Е„единственным параметром, влияющим на величину У„, является сопротивление В,. Последовательное соединение переключателей. Как и простейшие ключи, переключатели тока обычно работают совмеетно в последовательных цепочках. При этом управляющий сиг- Глава 8. Оековм пкфровой ехемотехвккк нал поступает на данный переключатель с коллектора л, предыдущего, а выходной сигнал данного переключателя поступает на базу следующего Уе (рис.
8.14). Легко убедиться, что э е гз э тй непосредственное соединение переключателей в таких цепоч1е 1о нах невозможно. Приходится соединять их друг с другом через дополнительные согласуюРке. 8.14. Цепочка щие схемы, которые называют переключателей тока схемами смещения уровня.
Простейшим способом смещения уровня является включение э.д.с. е между смежными переключателями (рис. 8.14). В этом случае при запертом транзисторе Т1 (в М-м переключателе) потенциал базы транзистора Т1' 1в (Ф +1)-м переключателе1 будет иметь величину и "„е:д (У'бз)' =Е, — е. (8.39а) Эта величина должна превышать значение Еб с тем, чтобы транзистор Т1' был открыт. Выполнение условия (Уе)' > Еб не вызывает затруднений. Если же транзистор Т1 (в Ж-и переключателе) открыт„то потенциал базы транзистора Т1' составляет (У'бз ) = Е„- а1оВ„- е. (8. 396) Эта величина должна быть меньше Еб с тем, чтобы транзистор Т1' был заперт. Такое условие накладывает определенное ограничение на э.д.с.
е, Действительно, подставим в (8.39б) значение ń— сб1оВ„из (8.37б); тогда (~б1) Е+б (8.40) е > 26. Подставляя в неравенство (У'бз) < Еб полученную величину (У'бз) и значение Еб из (8.33а), нетрудно получить указанное ограничение: 8 5. Переключатель тока Источник тока 1з можно осуществлять разными способами. Наиболее простым и исторически первым является использование резистора Ез (рнс. 8.15).
Если открыт транзистор Т2, то ток 1ег определяется соот- ношением 1сг (/э/Ео (Е П*)/Яе. Рва 8.15. Переключатель тока с резистором в качестве источника тока 1, Если открыт транзистор Т1, то ток 1е, имеет несколько большее значение: 10! (/э/Ее (Еб (/ )/ЕО' Подставляя (8.37б), нетрудно получить: 1ег =1зг+(Ь/Ее) Ь Е вЂ” (/ — сс или Š— У*» Ь. Ее Ез Например, если Ь - 0,1 В, то напряжение Е должно превышать 1,7 В. Переходные процессы. Будем считать, что управляющие сигналы поступают от источника э.д.с.
с нулевым внутренним сопротивлением. В реальных схемах такое предположение обычно оправдано. Пусть в исходном состоянии схемы (рис. 8.13) на входе действует потенциал запирания Ез и, значит, транзистор Т1 заперт. При поступлении сигнала, равного потенциалу отпирания .Ес, первым агапом переходного процесса будет, как и в простейшем ключе, заряд входной емкости. Анализ, аналогичный проведенному в разделе 8.4, приводит к выражению: (,е =т,)п2 м0,7т„ (8.41) где постоянная времени т, = гсС .
Если принять гс = 100 Ом и С,„= 2 пФ, то (,Е ю 0,15 нс. С учетом конечного внутреннего сопротивления источника сигнала задержка будет соответственно больше. Формула (8.41) остается в силе для любых сигналов, симметричных относительно потенциала Е. Как видим, ток 1с при переключении не остается постоянным, а меняется на величину Ь/Яз. Для того, чтобы зто непостоянство было пренебрежимо малым, должно выполняться условие з1о Глава а. Оевввы аяфрвввй схемвтехвиви После отпирания транзистора У1 через его змиттерный переход протекает неизменный ток 1с, а потенциал базы сохраняет неизменное значение Ес. Зти условия означают„что по существу транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ), хотя внешне кажется, что он включен по схеме ОЭ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
