6 2 2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА ПРИ АНАЛИЗЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

рассмотрим статические характеристики транзисторного ключа с общим эмиттером, являющегося основой всех насыщенных интегральных схем на биполярных транзисторах. Транзисторный ключ в общем случае состоит из транзистора Т, базового сопротивления Rs, обеспечивающего режим управления по току, сопротивления коллектора Rk и нагрузки Rs (рис. 2.6, а). Иногда нагрузку

ип к

Рис. 2.6. Варианты подключения нагрузки к транзисторному ключу

подключают между коллектором и источником питания (рис. 2.6, б) или параллельно сопротивлению коллектора (рис. 2.6, в). При анализе конкретных схем следует помнить, что в общем случае нагрузка будет комплексной и нелинейной.

Рассмотрим статические характеристики для схемы, изображенной на рис. 2.6, а, считая, что нагрузкой ключа является линейное сопротивление.

Любая схема ключа характеризуется тремя состояниями: закрытым, переключения, открытым. Для идеального ключа, например релейных контактов, эти состояния однозначно определяются для любого вида нагрузки. Для транзисторного ключа закрытое и открытое состояния определяются характером нагрузки и способом ее подключения к транзисторному ключу. Например, если нагрузкой транзисторного ключа является обмотка реле, то он считается открытым, когда реле сработает, и закрытым, когда реле отпустит; если нагрузкой является лампа накаливания, то транзисторный ключ считается открытым, когда лампочка светит, и закрытым, когда лампочка не светит. В обоих случаях оба состояния могут быть обеспечены для широкого диапазона токов коллектора транзистора. Если принять, что в открытом состоянии ключа на нагрузке действует высокое напряяение, а в закрытом - низкое, то для схемы. Показанной на рис. 2.6, а, в открытом состоянии транзисторного ключа сам транзистор закрыт, а для схемы, представленной на рис. 2.6, в, в открытом состоянии транзисторного ключа сам тран-

зистор открыт. Положение транзисторного ключа между открытым и закрытым состояниями называется состоянием переключения или активной зоной ключа.

Сказанное позволяет подчеркнуть, что закрытое и открытое состояния, а также ширина активной зоны ключа определяются характером нагрузки, способом ее подключения к транзисторному ключу и должны быть строго определены в каждом конкретном случае.

Рис. 2.7. Основные способы запирания транзистора в ключе по схеме ОЭ:

а - режим отсечки; б - U иый режим при малых токах

0; в - сопротивлеиие в цепи базы; г - /g = 0; д - актив-

Например, для схемы, показанной на рис. 2.6, б, в интегральной схемотехнике принято считать, что транзистор закрыт, если через него протекает ток, равный (0,l-f-0,03)/к нас и уже открыт, если через него протекает ток, равный (0,99ч-0,97) /к нас. Это связано с тем, что в отличие от схем на дискретных компонентах в большинстве типов интегральных логических схем не используют специальных источников питания для запирания транзисторов. Поэтому закрытое состояние транзистора, как правило, соответствует активному режиму при малых токах коллектора.

Основные способы запирания транзистора для схемы, представленной рис. 2.6, б, приведены на рис. 2.7, а-д. Способы, представленные на рис. 2.7, в, д, являются основными в интегральной схемотехнике.

Определим закрытое и открытое состояния в ширину активной зоны ключа для схемы, показанной на рис. 2.6, а, проведя качественный анализ этой схемы и применяя терминологию, принятую для логических элементов, так как транзисторный ключ выполняет логическую операцию НЕ.

При закрытом транзисторе, пренебрегая его током коллектора,

можно записать, что [/еых=/ = [/ип/?н/(/?К + /?н).

При открытом транзисторе [/"еых=[/° = [/к нас.

Логический перепад на выходе kUn = V-U-

Будем считать ключ открытым (транзистор закрытым), когда напряжение на выходе лежит в пределах [/[/вых*-0,03А[/л. и ключ -закрытым (транзистор открытым), когда напряжение на выходе лежит в пределах [/"[/вых/о-ЬО.ОЗДг/д.

Ширину активной зоны ключа определим как диапазон выходного напряжения в пределах от ([/-ОЛЛбл) до (U° + 0,lAUji).

Для построения статических характеристик используют метод характерных точек, сущность которого заключается втом, что на каждой статической характеристике выделяются точки, определяющие принципиальные изменения схемы (например, смену режима работы транзистора, изменение характера нелинейной нагрузки), границы открытого и закрытого состояний ключа, точки с единичным дифференциальным коэффициентом передачи, границы активной зоны ключа, границы режима насыщения транзистора и т. п., а также промежуточные точки, уточняющие характер статистических характеристик на каком-либо участке.

Рис. 2.8. Транзисторный ключ с нагрузкой:

« - исходная схема; S - эквивалентная схема

Передаточная г7вых=/2(/вх) и входная /вх=/1(/вх) характеристики. На рис. 2.8, а объемные сопротивления Гв и Гк изображены как внешние сопротивления «идеального» транзистора и обозначены токи и напряжения, используемые при расчете. Сопротивление Гк будет учитываться только при работе транзистора в режиме насыщения.

Для точки К. схемы (рис: 2.8, а), используя теорему об узловом напряжении и учитывая, что /вых;= вых/ш можно записать

вь,х=(/и../к- /к - Ub.JRJK VRk ). (2.54)

откуда после несложных преобразований следует, что

(2.55)

где = Uш,Rn/{Rк+Rn) = 3,65 В; /?экв = RiRu/iRi+Rd = =0,73 кОм.

Таккм образом, при анализе передаточной характеристики схему (представленную на рис. 2.8, а) можно заменить более простой схемой, изображенной на рис. 2.8, б.