Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Переходные процессы в ключах с ОЭ

Исходными данными для анализа таких ключей является следующее:

1) ,min

Заданные значения минимального входного напряжения, достигнув которое ключ полностью открывается (режим насыщения).

2) ,min

Минимальное значение выходного напряжения, в режиме когда ключ находится в насыщении.

3)

минимальные потери выходного напряжения, когда ключ в режиме отсечки.

4) Максимальное быстродействие ключа.

Первые три параметра удовлетворяются за счет расчета номиналов сопротивления базы и сопротивления нагрузки.

Алгоритм такого расчета:

Входная характеристика ключа с ОЭ следующая:

Для выполнения условия 2 рабочая точка – левая.

  Как видно из графика, ключевой режим соответствует двум крайним областям работы транзистора. В идеальном случае в рабочей области он находиться не должен.

,min достигается тогда, когда максимальный ток поступает в базу, или путем увеличения , чтобы уменьшить наклон линии нагрузки. Но увеличение  приводит к росту , которое равно . Поэтому при расчете транзисторного ключа выбирают такое значение , чтобы по максимуму удовлетворить условие 2 и 3.

Выбор транзисторного элемента ключа завершен.

Для удовлетворения условия 1 надо выполнить расчет  из следующих соотношений:

Закон Ома:

Этот ток будет обеспечен значением:

 =>

Откуда

Таким образом,  должно быть не более этого значения.

Результат условия 4 достигается общим увеличением быстродействия ключа, который напрямую зависит от заряда, накапливаемого в базе.

Рассмотрим причину снижения быстродействия с помощью следующих временных диаграмм:

При t → ∞,

Достигнув некоторого значения 1, мы достигнем

Т.о. воздействие на ключ импульсного сигнала приводит к появлению трёх времён, которые ограничивают быстродействие ключа:

– длительность фронта, ограничивает .

, которое удлиняет время нахождения ключа в насыщении.

, которое так же ограничивает частоту воздействия импульсного сигнала.

Таким образом, чтобы увеличить быстродействие ключа и сделать его идеальным, необходимо свести к нулю эти три времени, ограничивающие быстродействие ключа.

Для сведения к минимуму трёх времён: , , , в цифровой электронике используют три основных приёма:

Использование в базе ускоряющих емкостей:

Действительно, если подать в базу ток вида:

то ток быстро зарядит базу, а ток наоборот, приведёт к минимуму времени рассасывания заряда в базе.

При этом если подобрать значение , равное такому значению тока коллектора , при котором транзистор недонасыщен, то избыточный заряд в базе накапливаться не будет.

 

Данный достаточно простой приём сложно реализовать интегрально. Поэтому для увеличения быстродействия ключей, часто используют схемы с диодом в цепи обратной связи.

Ключ с ускоряющим диодом:

Основная идея заключается в следующем: при подаче импульса (т.е. ), диод закрыт и весь ток идёт в базу, что обеспечивает быстрое насыщение транзистора. По мере падения  наступает момент, когда диод открывается, и весь ток, создаваемый , течёт через него практически минуя базу.

Дальнейший принцип ускорения ключа аналогичен предыдущему.

 (до открывания D). Потом диод откроется, и:

Ключ с диодами Шоттки:

Это полупроводник, где одним из граничных является метал (т.е. одна область – металл, а вторая – полупроводник n- или p- типа).

Отсутствие приграничного слоя => нет барьерной ёмкости.

Это очень быстродействующие диоды (ВАХ – как у обычного диода, но насыщение ~ 0,1В). Использование этих диодов в обратной связи транзисторного ключа автоматически исключает . В результате получаем следующее:

При таком подходе так же автоматически исключается избыточное накопление зарядов в базе.

Логические элементы с диодами Шоттки являются самыми быстродействующими логическими элементами для схем с однополярным питанием.