Ключ на полевом транзисторе реферат

Обновлено: 05.07.2024

Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование

Мы уже рассмотрели устройство биполярных транзисторов и их работу, теперь давайте узнаем о том, какие бывают полевые транзисторы. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях сегодня мы и поговорим. В статье я буду проводить сравнение с биполярными транзисторами, в отдельных местах.

Содержание статьи

Определение

Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.

В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:

транзисторы с управляющим p-n-переходом;

транзисторы с изолированным затвором.

И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.

У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4, но редко, я встречал только на советских и он был соединен с корпусом).

1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).

2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).

3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).

Транзистор с управляющим pn-переходом

Транзистор состоит из таких областей:

На изображении вы видите схематическую структуру такого транзистора, выводы соединены с металлизированными участками затвора, истока и стока. На конкретной схеме (это p-канальный прибор) затвор – это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала (p-слой), а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

Условное графическое обозначение:

а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа

Чтобы легче было запомнить, вспомните обозначение диода, где стрелка указывает от p-области в n-область. Здесь также.

Первое состояние – приложим внешнее напряжение.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормально-замкнутым ключом. Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.

Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:

Через исток вводятся основные носители зарядов!

Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).

Исток - источник основных носителей заряда.

Вот результаты моделирования такой ситуации. Слева расположен p-канальный, а справа n-канальный транзистор.

Второе состояние – подаём напряжение на затвор

При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (Uзи) для p-канального и отрицательное для n-канального, он смещается в обратном направлении, область p-n-перехода расширяется в сторону канала. В резльтате чего ширина канала уменьшается, ток снижается. Напряжение затвора, при котором ток через ключ перестает протекать называется, напряжением отсечки.

Ключ начинает закрываться.

Достигнуто напряжение отсечки, и ключ полностью закрыт. На картинке с результатами моделирования отображено такое состояние для p-канального (слева) и n-канального (справа) ключа. Кстати на английском языке такой транзистор называется JFET.

Режимы работы

Режим отсечки наступает, когда Uзи=Uотсечки для каждого транзистора оно своё, но в любом случае прикладывается в обратном направлении.

Характеристики, ВАХ

Выходной характеристикой называют график, на котором изображена зависимость тока стока от Uси (приложенного к выводам стока и истока), при различных напряжениях затвора.

Можно разбить на три области. Вначале (в левой части графика) мы видим омическую область – в этом промежутке транзистор ведет себя как резистор, ток возрастает почти линейно, доходя до определенного уровня, переходит в область насыщения (в центре графика).

В правой части график мы видим, что ток опять начинает расти, это область пробоя, здесь транзистор находиться не должен. Самая верхняя ветвь изображенная на рисунке – это ток при нулевом Uзи, мы видим, что ток здесь самый большой.

Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока. Каждая из ветвей отличается на 0.5 вольта на затворе. Что мы подтвердили моделированием.

Здесь изображена стоко-затворная характеристика, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе при одинаковом напряжении стока-исток (в данном примере 10В), здесь шаг сетки также 0.5В, мы опять видим что чем ближе напряжение Uзи к 0, тем больший ток стока.

В биполярных транзисторах был такой параметр как коэффициент передачи тока или коэффициент усиления, он обозначался как B или H21э или Hfe. В полевых же для отображения способности усиливать напряжение используется крутизна обозначается буквой S

То есть крутизна показывает, насколько миллиАмпер (или Ампер) растёт ток стока при увеличении напряжения затвор-исток на количество Вольт при неизменяемом напряжении сток-исток. Её можно вычислить исходя из стоко-затворной характеристики, на приведенном выше примере крутизна равняется порядка 8 мА/В.

Схемы включения

Как и у биполярных транзисторов есть три типовых схемы включения:

1. С общим истоком (а). Используется чаще всех, даёт усиление по току и мощности.

2. С общим затвором (б). Редко используется, низкое входное сопротивления, усиления нет.

3. С общим стоком (в). Усиление по напряжению близко к 1, большое входное сопротивление, а выходное низкое. Другое название – истоковый повторитель.

Особенности, преимущества, недостатки

Полевой транзистор практически не потребляет тока управления, это снижает потери управления, искажения сигнала, перегрузку по току источника сигнала…

Низкий уровень шумов у полевых транзисторов обусловлен отсутствием процесса инжекции зарядов, как у биполярных.

Стабильность при изменении температуры.

Малое потребление мощности в проводящем состоянии – больший КПД ваших устройств.

Простейший пример использования высокого входного сопротивление – это приборы согласователи для подключения электроакустических гитар с пьезозвукоснимателями и электрогитар с электромагнитными звукоснимателями к линейным входам с низким входным сопротивлением.

Низкое входное сопротивление может вызвать просадки входного сигнала, исказив его форму в разной степени в зависимости от частоты сигнала. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Вот простейшая схема такого устройства. Подойдет для подключения электрогитар в линейный вход аудио-карты компьютера. С ней звук станет ярче, а тембр богаче.

Главным недостатком является то, что такие транзисторы боятся статики. Вы можете взять наэлектризованными руками элемент, и он тут же выйдет из строя, это и есть следствие управления ключом с помощью поля. С ними рекомендуют работать в диэлектрических перчатках, подключенным через специальный браслет к заземлению, низковольтным паяльником с изолированным жалом, а выводы транзистора можно обвязать проволокой, чтобы закоротить их на время монтажа.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения.

Иногда у начинающих радиолюбителей опасения доходят до абсурда, типа надевания на голову шапочек из фольги. Всё описанное выше хоть и является обязательным к исполнению, но не соблюдение каких либо условий не гарантирует выход из строя прибора.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

1. МДП-транзистор (метал-диэлектрик-полупроводник).

2. МОП-транзистор (метал-окисел-полупроводник).

3. MOSFET-транзистор (metal-oxide-semiconductor).

Запомните – это лишь вариации одного названия. Диэлектрик, или как его еще называют окисел, играет роль изолятора для затвора. На схеме ниже изолятор изображен между n-областью около затвора и затвором в виде белой зоны с точками. Он выполнен из диоксида кремния.

Диэлектрик исключает электрический контакт между электродом затвора и подложкой. В отличие от управляющего p-n-перехода он работает не на принципе расширения перехода и перекрытия канала, а на принципе изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего электрического поля. МОП-транзисторы бывают двух типов:

1. Со встроенным каналом.

2. С индуцированным каналом

Транзисторы со встроенным каналом

На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Из неё уже можно догадаться, что принцип его работы напоминает полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, т.е. когда напряжение затвора равно нулю – ток протекает через ключ.

Около истока и стока созданы две области с повышенным содержанием примесных носителей заряда (n+) с повышенной проводимостью. Подложкой называется основание P-типа (в данном случае).

Обратите внимание, что кристалл (подложка) соединена с истоком, на многих условных графических обозначениях он так и рисуется. При повышении напряжения на затворе в канале возникает поперечное электрическое поле, оно отталкивает носители зарядов (электроны) и канал закрывается при достижении порогового Uзи.

Режимы работы

При подаче отрицательного напряжения затвор-исток ток стока падает, транзистор начинает закрывать – это называется режим обеднения.

При подаче положительного напряжения на затвор-исток происходит обратный процесс – электроны притягиваются, ток возрастает. Это режим обогащения.

Моделирование

Транзистор со встроенным каналом n-типа с нулевым напряжением на затворе:

Подадим на затвор -1В. Ток снизился в 20 раз.

Согласно datasheet на этот транзистор пороговое напряжение затвор-исток у нас в районе одного вольта, а типовое его значение – 1.2 В, проверим это.

Ток стал в микроамперах. Если еще немного повысить напряжение, он исчезнет полностью.

Я выбрал транзистор наугад, и мне попался достаточно чувствительный прибор. Попробую изменить полярность напряжения, чтобы на затворе был положительный потенциал, проверим режим обогащения.

При напряжении на затворе 1В ток увеличился в четыре раза, по сравнению с тем, что был при 0В (первая картинка в этом разделе). Отсюда следует, что в отличие от предыдущего типа транзисторов и биполярных транзисторов он без дополнительной обвязки может работать как на повышение тока, так и на понижение. Это заявление весьма грубо, но в первом приближении имеет право на существование.

Характеристики

Здесь всё практически так же как и в транзисторе с управляющим переходом, за исключением наличия режима обогащения в выходной характеристике.

На стоко-затворной характеристике четко видно, что отрицательное напряжение вызывает режим обеднение и закрытие ключа, а положительное напряжение на затворе – обогащение и большее открытие ключа.

Транзисторы с индуцированным каналом

МОП-транзисторы с индуцированным каналом не проводят ток при отсутствии напряжения на затворе, вернее ток есть, но он крайне мал, т.к. это обратный ток между подложкой и высоколегированными участками стока и истока.

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом аналог нормально-разомкнутого ключа, ток не протекает.

При наличии напряжения затвор-исток, т.к. мы рассматриваем n-тип индуцируемого канала то напряжение положительное, под действием поля притягиваются отрицательные носители зарядов в область затвора.

Характеристики

Выходная характеристика в точности повторяет такую же у предыдущих разница заключается лишь в том, что напряжения Uзи становятся положительными.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

При рассмотрении вольтамперных характеристик крайне важно внимательно смотреть на величины, прописанные по осям.

Моделирование

На ключ подали напряжение 12 В, а на затворе у нас 0. Ток через транзистор не протекает.

Добавим 1 вольт на затвор, но ток и не думал протекать…

Добавляя по одному вольту я обнаружил, что ток начинает расти с 4в.

Добавив еще 1 Вольт, ток резко возрос до 1.129 А.

В Datasheet указано пороговое напряжение открытия этого транзистора на участке от 2-х до 4-х вольт, а максимальное на затвор-истор от -20, до +20 В, дальнейшие приращения напряжения не дали результатов и на 20 вольтах (несколько миллиампер я не считаю, в данном случае).

Это значит, что транзистор полностью открыт, если бы его не было, ток в этой цепи составил бы 12/10=1.2 А. В дальнейшем я изучал как работает этот транзистор, и выяснил, что на 4-х вольтах он начинает открываться.

Добавляя по 0.1В, я заметил, что с каждой десятой вольта ток растёт всё больше и больше, и уже к 4.6 Вольта транзистор практически полностью открыт, разница с напряжением на затворе в 20В в токе стока всего лишь 41 мА, при 1.1 А – это чепуха.

Этот эксперимент отражает то, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при достижении порогового напряжения, что позволяет ему отлично работать в качестве ключа в импульсных схемах. Собственно, IRF740 – один из наиболее распространенных в импульсных блоках питания.

Результаты измерений тока затвора показали, что действительно полевые транзисторы почти не потребляют управляющего тока. При напряжении в 4.6 вольта ток был, всего лишь, 888 нА (нано. ).

При напряжении в 20В он составлял 3.55 мкА (микро). У биполярного транзистора он был бы порядка 10 мА, в зависимости от коэффициента усиления, что в десятки тысяч раз больше чем у полевого.

Не все ключи открываются такими напряжениями, это связано с конструкцией и особенностями схемотехники устройств где они применяются.

Особенности использования ключей с изолированным затвором

Два проводника, а между ними диэлектрик – что это? Это транзистор, собственно затвор имеет паразитную ёмкость, она замедляет процесс переключения транзистора. Это называется плато Миллера, вообще этот вопрос достоин отдельного серьезного материала с точным моделированием, с применением другого софта (не проверял эту особенность в multisim).

Разряженная ёмкость в первый момент времени требует большого зарядного тока, да и редкие управляющие устройства (шим-контроллеры и микроконтроллеры) имеют сильные выходы, поэтому используют драйверы для полевых затворов, как в полевых транзисторах, так и в IGBT (биполярный с изолированным затвором). Это такой усилитель, который преобразует входной сигнал в выходной такой величины и силы тока, достаточный для включения и выключения транзистора. Ток заряда также ограничивается последовательно соединенным с затвором резистором.

При этом некоторые затворы могут управляться и с порта микроконтроллера через резистор (тот же IRF740). Эту тему мы затрагивали в цикле материалов об arduino.

Условные графические изображения

Они напоминают полевые транзисторы с управляющим затвором, но отличаются тем, что на УГО, как и в самом транзисторе, затвор отделен от подложки, а стрелка в центре указывает на тип канала, но направлена от подложки к каналу, если это n-канальный mosfet – в сторону затвора и наоборот.

Для ключей с индуцированным каналом:

Может выглядеть так:

Обратите внимание на англоязычные названия выводов, в datasheet’ах и на схемах часто указываются они.

Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.

Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и действиями скопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления используют ключи на полевых транзисторах.

2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники. Основные особенности транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

1 поколение – с линейной нагрузкой.

2 поколение – с нелинейной нагрузкой. В качестве нагрузки (вместо ) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.

Рис. 6 Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.

3. Принцип действия электронных ключей

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

• быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

• длительность фронтов выходных сигналов ;

• внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

• помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

• стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

• надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д.

4. Применение электронных ключей

Электронный ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии "включено", его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии "выключено", выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного.

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

1. Горбачев Н.Г. Промышленная электроника М. 2001

2. Кудрявцев И.А. Фалкин В.Д. Электронные ключи учебное пособие Самара 2002

3. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов - М.: СОЛОН-Р, 2001. - 327с.

4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника - М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 768 с.

Раздел: Коммуникации и связь
Количество знаков с пробелами: 5484
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 3

Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Рассмотрим простейшие диодные ключи.

Особенность диодных ключей состоит в том, что источником энергии для формирования выходного сигнала является источник входного сигнала.

Рассмотрим схему соединения ключа последовательно с нагрузкой.

Включение ключа параллельно с нагрузкой:

На диодных ключах можно выполнять логические операции И либо ИЛИ.

На рис. 1,а показана схема и временные диаграммы диодного логического элемента ИЛИ. Напряжение на выходе элемента ИЛИ будет иметь высокий уровень (логическая единица), если высокий уровень (логическая единица) действует хотя бы на одном входе.

1.1 Насыщенный транзисторный ключ на биполярном транзисторе

Рассмотрим режимы работы транзисторного ключа.

Выбираем транзистор VTn-p-n типа, схема включения с общим эмиттером показана на рис. 4.2.

Для ключа на транзисторе p-n-p типа меняются полярности напряжений.

Транзистор в нашей схеме может находиться в одном из трёх состояний:

1) Закрыт (выключен), находится в режиме отсечки (область 1);

2) Открыт, находится в линейной области в активном режиме (область 2);

3) Открыт (включён), находится в режиме насыщения (область 3).

1) Режим отсечки:

Режим отсечки создаётся путём подачи на базу VT запирающего отрицательного напряжения , VT закрыт, оба p-n перехода смещены в обратном направлении.

2) Активный режим:

Активный режим создаётся путём подачи на базу VT положительного напряжения. При этом эмиттерный p-n переход будет смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении, т.к. .

В активной области между входными и выходными токами существует жесткая связь:

, т.к. ; ,

–коэффициент усиления тока базы.

3) Режим насыщения. Такой режим наступает при , при этом VT открыт. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении.

В режиме насыщения транзистор перестаёт управляться по цепи базы, поэтому ток коллектора насыщения остаётся неизменным и определяется сопротивлением нагрузочного резистора :

Дальнейшее увеличение входного сигнала при приводит к увеличению потока электронов из эмиттера в базу и электроны (неосновные носители) в виде объёмного заряда скапливаются в области базы.

Наступает так называемое насыщение транзистора.

Условие насыщения VT может быть представлено в виде:

; .

Количественно глубина насыщения VT характеризуется коэффициентом насыщения

, (),

а также степенью насыщения

С физической точки зрения степень насыщения характеризует собой величину избыточного заряда неосновных носителей (электронов) в базе транзистора.

С ростом тока базы растёт по экспоненциальному закону объёмный заряд неосновных носителей в базе VT и на границе насыщения при он достигает значения

где - постоянная времени жизни неосновных носителей в области базы, отражающая частотную зависимость коэффициента передачи .

, где - верхняя граничная частота VT.

Чем больше избыточный заряд , тем сильнее насыщен транзистор, а рассеивание заряда обуславливает инерционность VT при его выключении, что в итоге существенно влияет на быстродействие ключевой схемы.

1.2 Статические характеристики ключа

Перепады амплитуд напряжения и тока:

от 0 до ; от 0 до ; от 0 до ; от U_КН до Е_К .

Амплитуда выходного напряжения:

Чем уже переходная область, тем лучше передаточная характеристика транзисторного ключа.

1.3 Динамические характеристики электронного ключа

Рассмотрим эпюры токов и напряжений для схемы электронного ключа, изображенной на рисунке ниже.

–объёмный заряд, –время задержки, –время фронта,.

До момента коммутации входной ток отсутствовал. Объёмный заряд в области базы после момента коммутации появится с некоторой задержкой из-за наличия ёмкости перехода, паразитной ёмкости монтажа.

–средняя продолжительность жизни неосновных носителей в области базы.

Объёмный заряд соответствует некоторому току коллектора насыщения . Для уменьшения времени включения транзистора необходимо увеличить входной ток

–напряжение закрытого транзистора;

–ток базы логической единицы.

, где – граничная частота усиления транзистора ().

При выключении транзистора

1.4 Способы увеличения быстродействия ключа на биполярном транзисторе

Основным недостатком насыщенного ключа является относительно низкое его быстродействие, обусловленное рассасыванием избыточного заряда в базе VT. Для повышения быстродействия необходимо строить схемы ненасыщенных ключей. Приведём примеры.

1.Использование ускоряющей ёмкости.

Оптимальная форма тока базы для улучшения формы выходного импульса должна иметь следующий вид:

Для получения тока такой формы используется форсирующая (уско-ряющая) ёмкость:

Назначение форсирующей ёмкости состоит в том, чтобы временно увеличить отпирающий ток базы и обратный ток на время переходных процессов, когда формируется и .

В момент времени при отпирании ключа и формировании имеем:

т.к. высокочастотная составляющая входного сигнала проходит через , шунтируя при этом резистор .

В момент времени при формировании имеем:

т.к. ёмкость оказывает существенное реактивное сопротивление низкочастотным составляющим входного сигнала, который, проходя по цепи уменьшает ток базы.

В момент времени запирающий ток базы формируется аналогично току , когда во входную цепь поступают низкочастотные составляющие, формирующие .

2.Использование внешнего фиксирующего источника напряжения.

Внешнее смещение можно осуществить по цепи базы или коллектора. В этом случае выбирается таковым, чтобы .

3.Использование отрицательной обратной связи.

В этой схеме входной базовый ток ограничивается на уровне тока базы насыщения, а избыток базового тока отводится через открытый диод VD в коллекторную цепь транзистора. В этой схеме транзистор не входит в режим насыщения.

2 Серии логических элементов

Исторически развитие импульсной и цифровой техники прошло несколько этапов, разработка основных типов логики:

1.РТЛ – резисторно-транзисторная логика.

2.ДТЛ – диодно-транзисторная логика.

3.ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика.

4.ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки.

5.ЭЛС – эмиттерно-связанная логика.

6.МОП (МДП) – логика на униполярных транзисторах с каналами проводимости p- и n-типов.

7. КМОП (КМДП) – логика на основе униполярных транзисторов с использованием дополняющих комплементарных транзисторов.

8. – инжекционная интегральная логика.

Цифровые интегральные микросхемы выпускаются сериями. Внутри каждой серии имеются объединённые по функциональному признаку группы устройств, имеющие единое конструкторско-технологическое исполнение. Основой каждой серии ИМС является базовый логический элемент.

3 Особенности схемотехники РТЛ

Базовый логический элемент РТЛ представлен на рис., он функционирует согласно логическому выражению:

, где и - соответственно входные и выходные сигналы.

Достоинство этой схемы: использование только двух видов элементов (резисторов и транзисторов). Недостатки схемы: использование двух источников питания, малая нагрузочная способность по выходу, малое быстродействие.

Существует другая разновидность этой схемы, обладающая повышенной нагрузочной способностью.

4 Особенности схемотехники ДТЛ

Базовая схема ДТЛ показана на рис. 4.3.

Диоды выполняют логическую операцию И, диоды и являются смещающими и устанавливают совместно с необходимый порог срабатывания транзистора VT, который выполняет функции ключа-инвертора.

Если на диоды поданы высокие уровни , то диоды будут закрыты, а транзистор VT открыт положительным потенциалом , на выходе схемы - (лог. 0). Если хотя бы на один из входов поступает напряжение низкого уровня , то соответствующий диод будет открыт. Положительный потенциал базы VT уменьшается на величину и транзистор VT закрывается, на выходе схемы будет напряжение (лог. 1).

Схема ДТЛ (рис. 3) выполняет логическую функцию nИ-НЕ.

1. Достанко А.П., Пикуль М.И., Хмыль А.А. Технология производства ЭВМ. Учеб. Мн.: Вышэйшая школа, 2004.

2. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования технологии и надежности РЭС. Учеб. М.: Радио и связь, 2001.

3. Глудкин О.П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС. Учеб. М.: Высш. шк., 2001.

4. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник А.П. Достанко, В.Л. Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев. Мн.: Выш. шк., 2002.

Что такое ключ на транзисторах?

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

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

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа.

Кстати нужно сказать, что наличие подобных на первый взгляд противоречивых утверждений полезно воспринимать как знак того, что выбор конкретного решения (в данном случае выбор для коммутации полевого или биполярного транзистора) следует осуществлять на основе всестороннего анализа.

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. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18).

На схеме изображена емкость нагрузки С_н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и u_си= E_с. Если напряжение u_вх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение u_си уменьшается.

Ключи на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом входят в состав различных микросхем серий 284, 504 и др.

Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_вкл зависит от сопротивления стока R_c, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_c, емкостью С_н и частотными свойствами транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т₁ называют активным, а транзисторТ₂ — нагрузочным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом u_вх u_{зи.порог1}. Транзистор Т₁ открыт и напряжение u_си1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т₂ близко к напряжению питания.

В рассматриваемом состоянии транзистор Т₂ также открыт, при этом u_зи2= u_си2= Е_с. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т₂ была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T₁ .Именно поэтому в открытом состоянии ключа u_си1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т₂ мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

Изобразим схему цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20).

Здесь использованы взаимодополняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т₂ с каналом p-типа. Обозначим через U_{зи.порог1} и U_{зи.порог2} пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т₁ и Т₂. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным.

Пусть u_вх= 0, тогда, очевидно, транзистор T₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт. При этом u_сн1= Е_с, u_ис2= 0. Если u_вх> U_{зи.порогl}, тогда транзистор Т₁ открыт. Пусть, кроме того, u_вх> Е_с — U_{зи.порог2}, тогда транзистор Т₂ закрыт. При этом u_си1= 0, u_ис2= Е_с.

Надо отметить, что если Е_с Задать вопрос

Если длительность переднего фронта и длительность среза (заднего фронта) входного импульса мала, то сквозной ток протекает короткое время, но и в этом случае он оказывает негативное влияние на работу схемы.

Как следует из изложенного, в каждом из двух установившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Это первое важное достоинство комплементарного ключа.

Вторым важным достоинством комплементарного ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Третьим важным достоинством комплементарного ключа является его повышенное быстродействие. Оно может быть на порядок больше, чем у двух других ранее изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости С_н, так и ее заряд происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор T₁ и заряжается через транзистор Т₂).

При этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение емкости. Естественно предположить, что входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или u_вх= , или u_вх= Е_с. В этом случае, чем больше напряжение питания Е_с, тем больше отпирающий сигнал на соответствующем транзисторе и тем больше его начальный ток (к примеру, при u_вх= 0, u_из2= Е_с).

Поэтому при увеличении напряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМОП-ключей.

Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе (рис. 3.21).

Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т₁ резистором нагрузки, а источника питания — источником входного сигнала.

Пожалуй, даже далёкий от электроники человек слышал, что существует такой элемент, как реле. Простейшее электромагнитное реле содержит в себе электромагнит, при подаче на который напряжения происходит замыкание двух других контактов. С помощью реле мы может коммутировать довольно мощную нагрузку, подавая или наоборот, снимая напряжение с управляющих контактов. Наибольшее распространение получили реле, управляющиеся от 12-ти вольт. Также встречаются реле на напряжение 3, 5, 24 вольта.

Большая долговечность. Довольно часто реле выходят из строя из-за наличия механически подвижных частей, транзистор же при правильных условиях эксплуатации имеет гораздо больший срок службы.
Экономичность. Обмотка реле потребляет ток, причём иногда весьма значительный. Затвор транзистора же потребляет ток только в момент подачи на него напряжения, затем он практически не потребляет тока.
Отсутствие щелчков при переключении.

Схема

Изготовление ключа на полевом транзисторе

Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:
1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:

В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Падение напряжение на транзисторе при этом составило 0,07 вольта, что в данном случае совсем не критично. Нагрева транзистора на наблюдается даже при постоянной работе схемы. Успешной сборки!

Читайте также: