Ключи на биполярных транзисторах

В линейных схемах потенциал коллектора транзистора устанавливается таким, чтобы его величина находилась в пределах между напряжением питания +Е и напряжением на коллекторе в режиме насыщения U_{К НАС}. При этом усиление сигнала осуществляется в окрестности установленной рабочей точки.

Отличительной особенностью линейных схем является то, что величина входного сигнала остается настолько малой, что выходное напряжение линейно зависит от входного и не выходит за пределы верхней и нижней границ линейного участка характеристики, так как в противном случае появились бы заметные искажения сигнала.

В отличие от линейных схем цифровое схемы работают только в двух характерных рабочих состояниях. Эти состояния характеризуются тем, что выходное напряжение может быть либо больше некоторого заданного напряжения , либо меньше заданного напряжения причем U_L < U_H. Если выходное напряжение превышает , то говорят, что схема находится в состоянии H (high – выcокий), если же оно меньше, чем говорят, что она находится в состоянии L (low – низкий).

Величины уровней и зависят только от используемой схемотехники. Чтобы можно было однозначно интерпретировать выходной сигнал, уровни, лежащие между значениями и , считаются запрещенными. Схемотехнические особенности, определяемые этими требованиями, рассмотрим на примере транзисторного ключа, представленного на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Транзисторный ключ

В схеме должны выполняться следующие условия:

U _ВЫХ ≥ U _H при U _УПР ≤ U _L , (15.1)

U _ВЫХ ≤ U _L при U _УПР ≥ U _H . (15.2)

Эти условия должны выполняться даже для самого неблагоприятного случая, т.е. U_ВЫХ не должно быть меньше, чем при U_УПР=U_L, и U_ВЫХ не должно быть больше, чем при U_УПР=U_H. Такие условия могут быть выполнены соответствующим выбором уровней и , а также величин сопротивлений R_K и R_Б. Передаточная характеристика транзисторного ключа показана на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Передаточная характеристика ключа

Параллельный ключ. Применение биполярного транзистора в качестве параллельного ключа показано на рис. 15.3, а, б.

Рис. 15.3. Параллельный ключ на биполярном транзисторе:

a) прямое включение; б) инверсное включение

Чтобы транзисторная цепь была достаточно низкоомна, необходимо поддерживать ток базы в пределах нескольких миллиампер. Токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений; при этом остаточные напряжения, соответствующие I_К=0 или I_Э=0, будут малы.

Последовательный ключ. На рис. 15.4 представлена схема последовательного коммутатора, выполненная на биполярном транзисторе. Чтобы перевести этот транзистор в режим отсечки, необходимо приложить отрицательное управляющее напряжение. Оно должно быть по абсолютной величине большим, чем максимальное напряжение отсечки.

Рис. 15.4. Последовательный ключ на базе насыщенного эмиттерного повторителя

Чтобы открыть транзистор, на его вход надо подать управляющее напряжение большее, чем напряжение отсечки, на величину ΔU = I_Б R_Б. При этом переход коллектор-база откроется, и транзистор будет работать как ключ в инверсном включении. Недостатком схемы является протекание базового тока I_Б транзистора через цепь источника входного сигнала. Чтобы это не сказывалось на работе схемы, внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть достаточно малым.

Если выполняется это условие, то схема оказывается пригодной и для положительного входного напряжения. При этом ток эмиттера I_Э открытого транзистора будет положителен, что уменьшает напряжение смещения. При определенном значении тока эмиттера I_Э оно может даже равняться нулю.

В этом режиме работы схема представляет собой насыщенный эмиттерный повторитель. Для управляющего напряжения, величина которого лежит в пределах от нуля до входного напряжения (0 < U_УПР < U_ВХ), она работает как эмиттерный повторитель сигнала управляющего сигнала. Это обстоятельство иллюстрируется передаточной характеристикой ключа для положительных входных напряжений, представленной на рис. 15.5.

Рис. 15.5. Передаточная характеристика для положительных входных напряжений

Последовательно-параллельный ключ. Если совместить насыщенный эмиттерный повторитель и параллельный ключ, получится последовательно-параллельный коммутатор, имеющий в обоих рабочих состояниях малое напряжение смещения. Недостатком его является необходимость наличия комплементарных управляющих сигналов. Более простое управление можно обеспечить, если применить изображенный на рис. 15.6 комплементарный эмиттерный повторитель, который работает в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого необходимо обеспечить выполнение следующих условий U_{УПР МАКС}>U_ВХ и U_{УПР МИН}<0.

Благодаря низкому выходному сопротивлению в обоих режимах схема реализует высокую скорость коммутации выходного напряжения при 0 < U_ВЫХ < U_ВХ.

Рис. 15.6. Последовательно – параллельный ключ