книги / Сборник задач и упражнений по импульсной технике

(рис. 7.7, а, 6). Увеличение быстродействия достигается тем, что транзисторы работают в активном режиме (не входят в ре­ жим насыщения), перепады выходного напряжения незначи­

тельны и постоянная времени включения и выключения тран­

Широко распространены ключевые схемы па МОП-тран- зисторах.

Известны три разновидности МОП-транзисторных ключей: с резистивной нагрузкой, с динамической (транзисторной) на­ грузкой и комплементарные (КМОП) ключи.

121

Схема ключа с резистивной нагрузкой, выполненного на п- канальном транзисторе, показана на рис. 7.8, а.

Для запирания ключа на затвор транзистора подается на­

симальное напряжение на запертом ключе мгаах = Ес. На вольт-амперной характеристике (ВАХ) запертому состоянию ключа соответствует точка А (рис. 7.8, б).

Для отпирания ключа на затвор подается напряжение Еа > > t/nop. Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы рабочая точка В (рис. 7.8, б) соответствовала как мож­ но меньшему остаточному напряжению. Тогда рабочий ток от­ крытого ключа (ток насыщения) определяется, как и биполяр­ ного ключа, внешними элементами схемы:

/сн = (Е0 —U0cJ/R 0 « Ec/Rc.

Рабочая точка В в открытом состоянии лежит на крутом участке характеристики, поэтому остаточное напряжение оп­ ределяется как

где b — удельная крутизна транзистора (типичное значение «

«0 , 1 мА/Д2).

Сопротивление транзистора на крутом участке ВАХ со­ ставляет

В схеме рис. 7.8, а остаточное напряжение достаточно вели­ ко, поэтому £/ост стремятся уменьшить заменой Rc транзисто­ ром. Существуют две схемы таких ключей: с динамической на­

122

грузкой на однотипных (рис. 7.9) и разнотипных (рис. 7.10) транзисторах (комплементарный ключ).

Роль динамической нагрузки в схеме рис. 7.9 выполняет транзистор- Т%. В запертом состоянии ключа, когда на затвор подано напряжение Ez< t/nop, остаточный ток имеет то же

значение, что и в резисторном ключе, а максимальное выход­ ное напряжение

В открытом состоянии ключа, когда на затвор подано на­ пряжение Е3> С/пор, рабочая точка В лежит на крутом уча­ стке характеристики активного транзистора 7\ (рис. 7.9, б, участок 0—1).

Остаточное напряжение в этой точке мало. Поэтому пи­ тающее напряжение можно счи­ тать полностью приложенным к нагрузочному (транзистору Тг. Тогда ток насыщения ключа оп­ ределяется как

где Ь2 — удельная крутизна транзистора Т2, определяется гео­ метрией транзистора, т. е. отношением ширины к длине ка­

нала.

Остаточное напряжение определяется как

123

Если обеспечить Ьх > Ь2, что обычно реализуется в инте­ гральном исполнении, то остаточное напряжение уменьшается до 50— 100 мВ.

Ток в общей цепи определяется запертым транзистором Т, и составляет значение / 0(гт1. Открытый транзистор Г 2 работает

Г] открыт, а Тг закрыт, поэтому ток в общей цепи остается на уровне / 00т.

При открытом Г , падение напряжения на нем мало и состав­ ляет единицы микровольт

Инерционность МОП-транзисторных ключей обусловлена главным об* разом перезарядкой паразитных емкостей. Эквивалентная паразит­ ная емкость С 0 (см. рис. 7.8, а) С0 = С1Ш + Саги Сн + См, где С11И — входная емкость; С22и — выходная емкость; Сн — емкость нагрузки; См — емкость монтажа.

При запирании транзистора в схеме рис. 7.8, а емкость С0 заря­

жается через резистор R c формируя фронт (см. рис. 7.8, в) /ф «

л? 2,3/?иС^.

Если заменить R c отношением E c/ I cil7 то выражение для длитель­ ности фронта примет вид /ф = 2,3 (E CC Q/ I ci1). При отпирании клю*а емкость С0 разряжается через транзистор током стока, формируя срез выходного импульса. Длительность среза приближенно составляет (см. рис. 7.8, в) /Ср= 1|5 [£ сС<//с(о)]. где / С(о) = то к стока при наличии

ключе с резисторной нагрузкой. Формирование фронта происходит во время зарядки емкости С0 через динамическую нагрузку (Г 2), которая носит нелинейный (параболический) характер. Такой вид нагрузки при­

124

В схеме комплементарного ключа (см.рис. 7.10) зарядка и раз­ рядка емкости С0 происходят в одинаковых условиях, что объясняется симметрией схемы по отношению к запирающему и отпирающему сиг­

Быстродействие ключей на МОП-транзисторах меньше, чем на биполярных транзисторах из-за невозможности быстрой перезарядки паразитных емкостей малыми токами.

У п р а ж н е н и я и з а д а ч и

§7.2. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

7.1.Какие устройства называют транзисторными ключами?

7.2.Для каких целей применяются транзисторные ключи?

7.3.Какой режим называется статическим?.

7.4.В ,чем заключается условие закрытого состояния клю­ ча и какие токи протекают при этом в транзисторе? Покажите их направления.

7.5.В чем заключается условие открытого состояния клю-! ча и какие токи протекают при этом в транзисторе? Покажи­ те их направления.

7.6.Каково напряжение на выходе ключа в закрытом и от­ крытом состояниях?

7.7.Как определяется амплитуда выходного напряжения

ключа?

7.8. Почему в ключевых схемах на германиевых транзисто­ рах наличие источника Еш обязательно, а на кремниевых —

125

ток коллектора. Как изменится ток коллектора, если: а) уве­ личить Ri до 4 кОм; б) уменьшить Rt до 2 кОм; в) увеличить

входного напряжения, обеспечивающего режим насыщения

7.16. Определите, в каком режиме находится транзистор в схеме рис. 7.2, если на входе действует низкий уровень U0 —

7.22. Определите минимальное сопротивление нагрузки Ri„ подключаемое в схеме рис. 7.2 параллельно транзистору,

7.23. Найдите амплитуду выходного напряжения в задаче 7.21, если во включенном состоянии падение напряжения меж­ ду коллектором и эмиттером составляет 1/° = 0,2 В.

126

7.25.Как изменится амплитуда выходного напряжения в задаче 7.24, если температура окружающей среды повысится до 50° С.

7.26.В задаче 7.24 сопротивление резистора Rz неизвест­ но, температура окружающей среды f = 20° С. Определите

сопротивление R.,, обеспечивающее нормальную работу ключа при г = 50° С.

§ 7.3. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

7.27.Какой режим называется динамическим?

7.28.Объясните причины появления в коллекторном токе:

а) задержки переднего фронта (4 ); б) затягивания фронта (/ф); в) задержки выключения ((р); г) затягивания среза (/ср).

7.29. От каких элементов схемы зависит в коллекторном

7.30. Каким образом, не меняя схемы ключа рис. 7 .1 , можно уменьшить в коллекторном токе время задержки (4 ),

*вр)-

7.32. Рассчитайте длительности переходных процессов в задаче 7.31 при увеличении амплитуды входных импульсов до U1 = 20 В. Сделайте выводы об изменении ta, t$, tp tcp.

7.33.Рассчитайте длительности переходных процессов в задаче 7.31 при увеличении Еш до 2 В.

7.34.Рассчитайте длительности переходных процессов в задаче 7.31. при увеличении R Kдо 2 кОм.

7.35. Рассчитайте длительности переходных процессов в задаче 7.31 при увеличении £ „ до 30 В.

7.36* Транзисторный ключ (схема рис. 7.2) управляется идеальными прямоугольными импульсами с начальным уров­

127

ние резистора Rx и емкость конденсатора Сф, если параметры транзистора соответствуют параметрам, указанным в задаче 7.36.

7.42. Рассчитайте длительности переходных процессов в

взадаче 7.42, если конденсатор Сф отключить?

7.45.С какой целью в схеме ключевого каскада рис. 7 4 применена цепь с источником £ ф и диодом Л?

£ ф = 6 В, Rx — 10 кОм. Параметры транзистора указаны в за­ даче 7.31. На вход подаются однополярные прямоугольные

ли транзистор входить в насыщение, если прямое падение на­ пряжение диода U„v равно: а) 0 , 8 В; б) 0,4 В?

128

7.51. В схеме рис. 7.5 без диода ДШ транзистор Т входит в насыщение при токе базы i6 = / бп. Можно ли сказать, че­ му равно время рассасывания с диодом ДШ, если обеспечить ток базы <б > / би.

7.52.Как изменится время рассасывания в задаче 7.51, если: а) включить еще один диод ДШ последовательно и сог­ ласно с имеющимся диодом ДШ; б) включить еще один ДШ па­ раллельно с имеющимся ДШ той же полярностью?

7.53.Как скажется на времени рассасывания в схеме 7.5 замена диода Шоттки обычным диодом?

7.54.С какой целью применяют сложный ключ (схема

рис. 7.6)

7.55.* Объясните назначение транзисторов Ти Т2, Т3идио­ да Д в сложном ключе (см. рис. 7.6).

«0,7 В; падение напряжения на открытом диоде Удот = 0,8 В.

7.59.* По данным задачи 7.58 определите, в каком режиме находится транзистор Т2, если: а) транзисторы Тг и Т 3запер­ ты; б) транзисторы Т, и Т3 насыщены?

7.60.* Определите в задаче 7.58 значение тока базы от­ крытого транзистора Т3 (гбз).

7.62.По данным задачи 7.58 определите время зарядки и разрядки емкости нагрузки С„ = 500 пФ в схеме рис. 7.6.

7.63.Определите максимальную емкость нагрузки С„, которую можно подключить к выходу сложного ключа, чтобы время установления выходного напряжения ty не превышало

80нс.

7.64.С какой целью применяют переключатели тока (схе­

ма рис. 7.7).

7.65. * Почему схемы переключателей тока (см. рис. 7.7) обладают высоким быстродействием?

129

в схеме рис. 7.7, а, если на вход схемы подается: а) низкий уровень U0 — 3,5 В; б) высокий уровень U1 — 4,3 В. Пара­ метры схемы те же, что в задаче 7.66.

7.68 Определите напряжение опорного источника Е а в схеме рис. 7.7, а, если верхний уровень входного сигнала U1 =

—4,45 В, а нижний U0 = 3,75 В.

7.69.По условию задачи 7.66 определите верхний и ниж­ ний уровни выходного напряжения, если {У|1ЫЧ снимается с транзистора 7\>.

7.70.По условию задачи 7.66 определите длительность

фронтов, если та = 0 , 2 нс, С к= 0,5 пФ.

7.71.С какой целью в схеме рис. 7.7 введен транзистор Т 3?

7.72.Определите в схеме рис. 7.7, б значение тока / 0 гене­

ратора тока, выполненного на транзисторе Т 3, если Еа= 4,1 В, Ri = 500 Ом, R2 = 700 Ом, а = 0,95, R0— 500 Ом.

7.73. По условию задачи 7.72 определите верхний и ниж­ ний уровни выходного напряжения в схеме рис. 7.7, б, если выходное напряжение снимается с транзистора Тг, Ria =

— 270 Ом, RK 2 = 300 Ом, Е к — 5,2 В.

§ 7.4. КЛЮЧЕВЫЕ СХЕМЫ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ

7.74.На использовании какого явления основан принцип работы МОП-транзисторов?

7.75.Почему при наличии напряжения между стоком и ис­

током ток стока / с = 0 , если изп— 0 ?

7.76. Какое напряжение называется пороговым?

7.77. * Почему при постоянном напряжении м311 ток стока / с первоначально увеличивается при увеличении напряжения исп, а затем остается неизменным?

7.78. Какое явление называется перекрытием канала?

130