Радел 7.Транзисторные ключи.

7.1 Ключи на биполярных транзисторах.

7.1.1.Понятие "электронный ключ". Виды ключей. Занятие 57.

Ключи включают и выключают управляемый объект. Выключатель это ключ. Механические ключи обладают малой скоростью срабатывания и дребезгом контактов. Поэтому они заменяются электронными ключами, которые могут быть диодными, тиристорными, транзисторными и др.

Качество работы электронного ключа (ключа) определяется его быстродействием, сопротивлением во включенном состоянии и сопротивлением в выключенном состоянии. Реальные ключи в замкнутом состоянии обладают конечным сопротивлением, а в разомкнутом --их сопротивление не равно ∞.

Диодные и тиристорные ключи "включают" нагрузку при определенной полярности входного напряжения: при прямом напряжении диод открыт и нагрузка включена, при обратном—выключена.

Ключевые схемы можно разделить на числовые (цифровые) и аналоговые. Аналоговые схемы обладают дополнительным входом, позволяющим передавать в нагрузку состояние другого входа. Наиболее широкое применение находят числовые ключи, среди которых преобладающее положение занимают транзисторные ключи.

 

7.1.2 Работа транзистора в ключевом режиме. Занятие 58.

Транзисторный ключ это усилитель, который работает в ключевом режиме: рабочая точка может находиться только в области отсечки (транзистор закрыт), либо в области насыщения (транзистор не только открыт, но и насыщен).

На рис. показана схема ключа на биполярном транзисторе и рабочая статическая характеристика ключа. Нагрузочная прямая АВ построена в соответствии с соотношением

U_кэ = U_к – I_к R_к ,

где U_кэ напряжение между коллектором и эмиттером,

U_к –напряжение питания коллекторной цепи,

I_к R_к—падение напряжения на сопротивлении в цепи коллектора.

При U_кэ =0 прямая проходит через точку В, в которой U_к = I_к R_к и I_к =

При I_к = 0 прямая проходит через точку А, в которой U_кэ = U_к.

Для обеспечения режима отсечки (ниже точки N, ток коллектора практически равен нулю) ток базы должен быть отрицательным. Для этого напряжение U_вх должно быть отрицательным (или равным нулю) относительно эмиттера. Для надежного запирания транзистора отрицательное напряжение базы должно быть по абсолютной величине больше некоторого порогового напряжения.

Для обеспечения режима насыщения транзистор должен быть в таком состоянии, когда эмиттер не в состоянии инжектировать большего количества электронов (носителей). Этому состоянию соответствует ток базы I_{б нас} и точка М нагрузочной прямой. Транзистор пропускает ток I_{к нас}≈ , на транзисторе падает очень небольшое напряжение U_кэ (доли В для германиевых и 1…1,5В—для кремниевых транзисторов).

Быстродействие ключа определяется крутизной фронта и среза выходного напряжения. Эти параметры зависят от инерционности диффузионного движения неосновных носителей и времени рассасывания неосновных носителей, накопленных в базе. Высокочастотные транзисторы в какой-то мере решают этот вопрос. Однако радикальным решением является применение форсирующих конденсаторов в цепи базы и применение ненасыщенных ключей, ток базы которых меньше, чем у насыщенных. При применении форсирующих емкостей ток базы в момент включения максимален, так как сопротивление конденсатора равно нулю. Повышенный ток ускоряет процесс отпирания ключа. По мере заряда конденсатора сопротивление его увеличивается и то базы приобретает номинальное значение.

При выключении ключа ток базы больше, чем при отсутствии конденсатора, так как на конденсаторе накопилось напряжение. Это уменьшает время рассасывания носителей.

При применении ненасыщенных ключей транзистор пропускает меньший ток, но быстродействие его выше. При применении этого способа большую роль играют диоды Шоттки, которые соединяют цепь базы с коллектором. Диод Шоттки имеет напряжение отпирания ниже, чем напряжение насыщения коллекторного перехода на 0,…0,2В, поэтому он открывается до наступления насыщения, и часть тока базы проходит в коллекторный переход, уменьшая накопление неосновных носителей в базе. Изготовление диодов Шоттки в микроэлектронике не требует дополнительных технологических операций. Поэтому их широко применяют.

 

7.1.3 Дифференцирующие и интегрирующие цепи. Занятие 59.

В электронике важную роль играют дифференцирующие и интегрирующие цепи. Особенно широко эти операции используются в импульсной технике. Прямоугольный импульс вследствие конечности времени нарастания и спада можно представить как на рис. толстой линией. Фронт и срез представляют собой отрезки прямых, которые описываются выражениями: фронт U= U₀ t; срез U= - U₀ t, горизонтальная часть U = U₁. Дифференцирование даст для фронта: U ^! = U₀; для среза: U^! = -U₀; для плоской части: U = 0. Следовательно, результатом математического дифференцирования элементов импульса стало бы два импульса разной полярности, размах которых зависел бы от крутизны фронтов. Чем круче фронт, тем больше размах. Чем меньше длительность фронта и спада, тем короче импульсы. Если импульс прямоугольный, дифференцирование его фронта и среза даст импульсы бесконечно малой длительности и бесконечно большого размаха.

Аппаратно дифференцирование можно осуществить с помощью дифференцирующей цепи, показанной на рис. Фронт импульса вызывает ток I через конденсатор, сопротивление которого для быстро изменяющегося напряжения равно нулю. Ограничивается ток величиной сопротивления R, на котором ток создаст падение напряжения U_вых = IR.В первый момент ток максимальный. По мере протекания тока конденсатор заряжается, ток убывает, напряжение на сопротивлении R падает до нуля. Выходное напряжение представляет собой короткий импульс положительной полярности, длительность которого зависит от емкости конденсатора. При срезе импульса конденсатор разряжается через сопротивление R (и выходную цепь источника импульса). В первый момент ток максимальный и течет в обратном направлении. Падение напряжения на сопротивлении R максимально. По мере разряда конденсатора ток и выходное напряжение убывают до нуля. Дифференцирование указанного устройства отличается от математического тем, что 1) размах импульсов не бесконечен, а равен ; 2) импульсы не имеют прямоугольной формы. Однако они вполне подходят для практических целей, а иногда даже удобней теоретических.

Дифференцирующие устройства применяются для формирования коротких импульсов из импульсов большой длительности по их фронту или срезу.

Интегрирование представляет собой процесс суммирования произведений значения функции на малый промежуток времени, в течение которого это значение можно считать постоянным. Интеграл постоянной величины представляет собой наклонную прямую. Если интегрировать импульс, от момента t₁ , когда он начинается, до момента окончания импульса t₂ интеграл линейно растет. После момента t₂ интеграл линейно убывает. Выполнить интегрирующую цепь можно с помощью схемы, показанной на рис. Прямоугольный импульс на входе вызовет ток через конденсатор С1 и сопротивление R. Сопротивление конденсатора в начальный момент равно нулю и ток определяется только величиной сопротивления R. Напряжение на конденсаторе является выходным напряжением U_вых , которое от нулевого значения возрастает по мере заряда конденсатора. Напряжение конденсатора изменяется нелинейно. Однако если конденсатор имеет достаточно большую емкость, а длительность импульса невелика, напряжение конденсатора соответствует начальной части процесса заряда, которая близка к прямой линии.

После окончания импульса емкость разряжается через сопротивление R и выходную цепь источника импульса.

Для характеристики дифференцирующих и интегрирующих цепей используют величину

τ =RC, которая называется постоянной времени. Постоянная времени характеризует процесс дифференцирования или интегрирования. Например, чем больше постоянная времени дифференцирования, тем дольше продолжается импульс. При интегрировании постоянная времени должна быть много больше длительности входного импульса.

Интегрирующие цепи применяются для получения пилообразных напряжений, затяжки срезов импульсов и проч.

 

Занятие 60. Лабораторная работа №9. Исследование ключа на биполярных транзисторах.

 

7.2.Ключи на МОП-транзисторах

7.2.1 Разновидности полевых транзисторов. Занятие 61(повторениетемы 2.3.1- занят. 16)

По способу изготовления затвора ПТ делятся на три типа: с p-n-управляющим переходом (затвором); с металлопроводниковым затвором (затвором Шоттки); с изолированным затвором.

В полупроводнике n-типа (см.рис. а)) методом диффузии образована p⁺-область (затвор). Между областями создается p-n-переход. Неосновных носителей (дырок--объемный заряд) в n-области значительно больше, чем (электронов) в p -области. Одна часть n-полупроводника занята объемным зарядом, оставшуюся часть называют каналом. При отсутствии внешних напряжений ширина объемного заряда в канале невелика. При подаче на затвор отрицательного (относительно истока) напряжения (обратное смещение) ширина p-n-перехода увеличится, ширина канала уменьшится. Проводимость между И-С зависит от ширины канала. Проводимость канала уменьшается с увеличением отрицательного напряжения на затворе, т.е. проводимостью канала можно управлять напряжением на затворе. Напряжение U_си создает в канале ток, который управляется напряжением затвора. Напряжение затвора, при котором канал полностью перекрывается (I_с-и≈0), называется напряжением отсечки (U_{з-и отс}). Ток стока при U_з-и =0 называется начальным током стока. (управление ведется в "минус").

Ток, текущий по каналу, вызывает на нем падение напряжения, которое вызывает изменение ширины канала. В области стока канал сужается больше (штриховая линия). При определенном напряжении U_си, называемым напряжением перекрытия или напряжением насыщения, канал перекрывается, т.е. ток почти не увеличивается при увеличении U_си.

Транзисторы с затвором металл-полупроводник (затвором Шоттки) имеют существенно меньшую длину канала (до 0,5…1мкм), что уменьшает все размеры ПТ. Они способны работать на более высоких частотах (до 80ГГц).

Транзисторы с изолированным затвором (металл-диэлектрик-полупроводник—МДП). Ес ли в качестве диэлектрика применяется оксид кремния (ОКИСЕЛ) –МОП. МДП-транзисторы бывают двух разновидностей: с индуцированным и со встроенным каналом.

С индуцированным каналом—(рис.в,г) исток и сток—сильнолегированные области, встроенные в слой противоположной проводимости. Между затвором и каналом—диэлектрик. Напряжение U_си не вызывает тока (встречно включены два диода). При подаче на затвор достаточного отрицательного напряжения, в канале индуцируются заряды, противоположные тем, что на затворе. Это соответствует увеличению толщины канала. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ширина канала, т.е. проводимость.

В МДП-со встроенным каналом на стадии изготовления транзистора тонкий приповерхностный слой слабо легируется так, что он имеет тот же тип проводимости, что и И и С. Поэтому в таком транзисторе ток протекает даже при U_зи =0.

 

а, б — с n и p -затворами, с каналами p и n-типа.

в,г – с индуцированными каналами n и p-типа.

д, е – со встроенными каналами n и p-типа.

 

7.2.2 Ключи на МДП-транзисторах. Занятие 62.

Ключи на полевых транзисторах с p-n-затвором строятся так же, как биполярные ключи. Однако в них отсутствует накопление и рассасывание неосновных носителей. На время переключения влияют только межэлектродные емкости. Так как полевые транзисторы могут играть роль регулируемых сопротивлений, то их можно устанавливать в цепь стока в качестве R_c. Поэтому выпускают ключевые транзисторы, в которых сопротивление выполняется по той же технологии, что и сам транзистор.

Среди ключей с индуцированным каналом интересны ключи, состоящие из двух транзисторов с каналами разного типа. Роль резистора выполняет транзистор VT1, а роль активного элемента –транзистор VT2. Транзистор VT2 имеет канал р-типа, VT1—n-типа.

При подаче на вход положительного напряжения U1 транзистор VT2 закрывается. транзистор VT1, имеющий канал n-типа открыт (если U1> U_порог), так как на его вход действует то же входное напряжение. Сопротивление транзистора VT2 велико, транзистора VT1 близко к нулю. Напряжение источника питания с малыми потерями передается на выход. При смене полярности входного сигнала транзистор VT2 открывается, транзистор VT1 закрывается. На выход подается напряжение, близкое к нулю.