Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.

Ключи на биполярных транзисторах . Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 14.5.

Рис. 14.5. Ключ на биполярном транзисторе

Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t 1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режимеi к =– i б =I ко (I ко – обратный ток коллектора),i э ≈ 0. При этомu R б ≈u R к ≈ 0;u бэ ≈ –U 2 ;u кэ ≈–Е к .

В промежутке времени t 1 …t 2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзистореu кэ было минимальным, напряжениеU 1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находится или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близким к режиму насыщения.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p -типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Полевой транзистор с каналом p-типа

Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.

На рис. 14.7 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n -типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.

Рис. 14.7. Цифровой ключ на полевом транзисторе

На схеме изображена емкость нагрузки С н , моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт иu си =Е с . Если напряжениеuвх больше порогового напряженияU зи.порог транзистора, то он открывается и напряжениеu си уменьшается.

Логические элементы

Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 14.8 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.

Рис. 14.8. Логические элементы

Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.

Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);

диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

Для этого необходимо, чтобы транзистор как ключ воздействовал на реле, так как ни цифровая схема, ни транзистор не могут управлять этим двигателем. Схема, используемая для этой цели, показана ниже. Обычно эта катушка имеет сопротивление порядка нескольких десятков Ом. Диод параллельно катушке служит для предотвращения повреждения транзистора из-за обратного тока, создаваемого им при переключении реле.

Регулятор 1-й серии На следующем рисунке показан транзисторный регулятор, который является более сложным источником питания, чем регуляторы, которые используют только стабилитрон. Зенеровский диод действует только как контрольный элемент, в то время как транзистор является регулятором или элементом управления.

транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);

транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

р (р -МДП);

логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n -МДП);

логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);

интегральная инжекционная логика И 2 Л;

Отмечается, что транзистор последовательно с нагрузкой, поэтому серия регуляторов имен. Другими словами, изменяя входное напряжение, произойдет приведение в действие основного тока, который управляет током коллектора. На приведенном ниже рисунке показан этот регулятор типа: элементы, составляющие цепь имеют следующие функции: стабилитрон: используется в качестве опорного напряжения элемента.

Любая разность напряжений между двумя резисторами будет обеспечивать выход компаратора с опорным напряжением, которое будет применено к цепи управления. Однако существуют приложения, в которых однополюсные транзисторы с высоким входным импедансом являются лучшей альтернативой. Этот тип транзистора зависит только от одного типа нагрузки, отсюда однополярное имя. Существует два основных типа: транзисторы полевого транзистора и полевые транзисторы с полем оксида металла.

логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs– К6500.

Наиболее важные параметры логических элементов:

Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала t зр и максимальной рабочей частотойF макс . Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5U вх и 0,5ΔU вых . Максимальная рабочая частотаF макс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.

Чем больше отрицательное напряжение, тем меньше ток стока. До тех пор, пока слой истощения не закрывает канал и не препятствует потоку свободных электронов. Когда дверь электрически изолирована от канала, к двери может быть применено положительное напряжение. Положительное напряжение в порту увеличивает количество свободных электронов, протекающих по каналу. Чем выше напряжение, тем выше ток стока.

Субстрат полностью распространяется на диоксид кремния. Свободные электроны рекомбинируют с зазорами в области, близкой к диоксиду кремния. Когда напряжение достаточно положительное, все зазоры от диоксида кремния заполняются, и из источника в канализацию начинают поступать свободные электроны. Когда это происходит, нормально разомкнутое устройство внезапно приводит, и свободные электроны легко текут от источника к стоку. Этот изоляционный слой поддерживается настолько тонким, насколько это возможно, чтобы дать двери лучше контролировать ток стока.

Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу К об (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). ВеличинаК об – это число логических входов, величинаК раз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы:К об =2…8,К раз =4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностьюК раз =20…30.

Поскольку слой очень тонкий, его легко разрушить с чрезмерным напряжением порта источника. Но они имеют как недостаток, так и уменьшение входного импеданса. Это оправдывается тем фактом, что это устройство рассеивает очень низкую мощность, а также обеспечивает интеграцию в больших масштабах.

Отрицательный зонд опрокидывается на катод. Положительный зонд опрокидывается на анод. Омметр должен указывать на низкое сопротивление. Отрицательный зонд прикреплен к основанию транзистора. Положительный зонд подключен к транзисторному коллектору. Омметр должен указывать на высокое сопротивление. Изменение положительного вывода на транзисторный излучатель Омметр должен указывать на высокое сопротивление. Инвертируйте измерительные провода, то есть опирайтесь на основание и повторяйте пункты 2 и резисторы должны быть низкими.

Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением U пст , которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.

Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.

Напряжение питания.

Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U вх.1порог иU вх.0порог , соответствующие изменению состояния логического элемента.

Выходные напряжения высокого и низкого уровней U вых1 иU вых0 .

Используются и другие параметры.

Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 14.9).

Рис. 14.9. Базовый элемент ТТЛ

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т 2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т 4 и запиранию транзистора Т 3 , т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент

И-НЕ (рис. 14.10,а ), а на рис. 14.10,б показано графическое изображение транзистора Шоттки.

Рис. 14.10. Логический элемент ТТЛШ

Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряженияu вх1 иu вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD3 иVD4 закрыты, транзисторыVT1,VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторыVT1 иVT5 закрыты, а транзисторыVT3 иVT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

напряжение питания +5 В ;

выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В ;

выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В ;

помехоустойчивость – не менее 0,3 В;

среднее время задержки распространения сигнала 20 нс ;

максимальная рабочая частота 25 МГц .

Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

В микросхемах n -МОП иp -МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах сn -каналами и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах сp -каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика).

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAsхарактеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основеGaAsмогут работать на частотах порядка 10ГГц .

Транзистор в режиме ключа? Какого еще ключа? Такого?

А может быть такого?

Ключ от сундучка более-менее похож на правду, так как запирает и отпирает сундучок, но все равно далек от истины.

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и... пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку - ток побежал, отжали - получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение;-) Нажали на пипку - сигнал есть, отжали пипку - сигнала нет.

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом . Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧ ено и выКЛЮЧ ено, промежуточный режим между "включено" и "выключено" мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто;-) Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2 --->лампочка--->коллектор--->эмиттер--->к минусовой клемме Bat2 . Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор "R " здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Но все ли так просто, как кажется на первый взгляд?

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью "открыть" транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.