Элементная база цифровых систем
Принципы построения ключевых схем

В цифровой электронике ключевая схема предназначена для коммутации (переключения) тока в нагрузке или создания двух резко отличающихся уровней напряжения на нагрузке, соответствующих логическому нулю и логической единице.

Ключевая схема на биполярном транзисторе

В интегральных микросхемах выполненных на биполярных транзисторах роль ключа выполняет транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 9).

а б

Рис.9. Ключевая схема на биполярном транзисторе: а- принципиальная схема; б – вольт/амперная характеристика (ВАХ) ключа

Управление состоянием ключа осуществляется сигналом U_вх. При U_вх = 0 соответственно I_б = 0 и состояние схемы определяется точкой B на ВАХ ключа. Транзистор находится в состоянии отсечки, что эквивалентно разомкнутому ключу, а выходное напряжение U_вых равно U_{кэ отс}, т. е. несколько меньше, чем E_к. Ток через транзистор I_ко в этом случае пренебрежительно мал.

При U_вх, достаточном для создания базового тока I_{б нас}, переводящего транзистор в режим насыщения, состояние схемы определяется точкой А на ВАХ, что равносильно замкнутому ключу. Выходное напряжение равно U_{кэ нас}, т.е. несколько выше нулевого уровня, а ток через транзистор I_{к нас} максимален и равен .

Оценим энергетические затраты в ключевой схеме:

В режиме отсечки мощность, выделяемая на транзисторе и вызывающая его нагревание, определяется выражением

P_отс = I_{ко Ч}U_{кэ отс}.

Вследствие крайней малости I_ко, мощность P_отс значительно меньше допустимой величины.

В режиме насыщения мощность P_нас = I_{к нас Ч}U_{кэ нас}. Так как U_{кэ нас} мало, P_нас также находится в допустимых пределах.

Более подробно рассмотрим процесс переключения – процесс перехода ключа из одного состояния в другое.

Так как переключение транзистора происходит не мгновенно, а в течение времени t _ф, ток i_к(t) и напряжение U_кэ(t) достигают относительно высоких величин. На переключение транзистора затрачивается энергия

Допустив, что ток i_к(t) за время переключения изменяется по линейному закону, т.е. i_к(t)=I_{нас Ч}t/t _ф, и, считая, что R_к, E_к известны, получим

Тогда с учетом

Если транзистор ключа переключается с частотой f, то мощность, выделяемая на нем, будет равна

где – период переключения.

В этом случае, в зависимости от частоты переключения и режимов работы ключа, P_{перекл.} может достигать значительных величин.

Идеализированная временная диаграмма работы ключа приведена на рис. 10.

Анализ временной диаграммы работы ключевой схемы (рис. 9) показывает, что для статистического режима если U_вх – низкий потенциал, то U_вых – высокий, и наоборот. Следовательно, простейшая ключевая схема на транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора, с которого снимается выходное напряжение, является инвертором, реализующим функцию НЕ как в положительной, так и в отрицательной логике.

Рис. 10. Идеализированная временная диаграмма работы ключа

Ключевая схема на полевых транзисторах

Ключевые схемы на полевых транзисторах имеют следующие преимущества перед биполярными:

малое сопротивление в открытом состоянии,

высокое сопротивление в закрытом состоянии,

незначительная мощность, потребляемая от источника управляющего сигнала.

Схемотехнически полупроводниковые ключи на биполярном и полевом транзисторе практически идентичны.

Однако в интегральной схемотехнике в качестве нагрузочного резистора R используется МДП-транзистор того же типа, что и транзистор, выполняющий роль ключа (рис. 11).

Рис. 11. Ключевая схема на МДП-транзисторах

Это позволяет сократить число технологических операций при изготовлении микросхем. Чтобы транзистор Т2 выполнял роль резистора необходимо обеспечить постоянно открытое состояние его канала. Для этого затвор транзистора Т2 соединяют с его стоком.

Ключевая схема на комплементарных транзисторах

В рассмотренных ключевых схемах существенным недостатком является протекание тока через сопротивление R_к как в открытом, так и в закрытом состояниях и, как следствие его значительное нагревание.

Этого недостатка лишен инвертор на комплементарных (взаимодополняющихся) МДП-транзисторах (рис. 12).

Рис. 12. Комплементарный МДП-транзисторный ключ

Схема построена на двух транзисторах Т1 и Т2 с одинаковыми характеристиками, но с каналами разных типов проводимости. Схема симметрична: когда один из транзисторов выполняет роль замкнутого ключа, то другой служит нагрузочным сопротивлением и наоборот.

В положительной логике и при положительной полярности напряжения питания при подаче на вход схемы логического 0 (U_вх ” 0 В) транзистор Т1 будет заперт, а транзистор Т2 оказывается в режиме глубокого насыщения и через него потенциал +Е поступает на выход, реализуя на выходе логическую 1. Сквозной ток протекающий через оба последовательно соединенных транзистора практически равен нулю, так как сопротивление закрытого транзистора Т1 очень велико.

Если на вход ключа подана логическая 1, то состояния транзисторов меняется на противоположное и через открытый транзистор Т1 на выход будет подан нулевой потенциал корпуса U_вых ” 0 В, реализуя логический 0. При этом сквозной ток по прежнему останется близким к нулю вследствие большого сопротивления запертого транзистора Т2.

Таким образом, в статическом состоянии схема практически не потребляет мощности от источника питания.

В режиме переключения имеется некоторый интервал входных сигналов при которых открыты оба транзистора и сквозной ток может достигать значительных величин. Однако для КМДП-ключей типичны низкие напряжения питания, так что заметного возрастания тока во время переключения обычно не происходит.

Переключатель тока (эмиттерно-связанная логика, ЭСЛ)

Переключателем тока называют симметричную схему (рис. 12.), в которой заданный ток I₀ протекает через ту или иную ее ветвь в зависимости от потенциала U_вх на одном из входов. На втором входе поддерживается некоторое неизменное опорное напряжение U_оп.

а б

Рис. 13. Переключатель тока: а – электрическая схема;

б – временная диаграмма его работы

Опорное напряжение U_оп равно промежуточному значению между напряжениями высокого (В) и низкого (Н) уровней выходного напряжения.

Так как эмиттеры транзисторов соединены между собой, то падение напряжения U_э прикладывается одновременно к базам Т1 и Т2

Если на вход переключателя подан высокий уровень (В) т. е. U_вх = U_оп+ d , то транзистор Т1 будет открытым, так как на его базе будет прямое напряжение Ud _э1 = U_вх – U_э > 0, а Т2 закрыт (Ud _э2 = U_оп – U_э < 0). Каждая из ветвей переключателя представляет собой инвертор, поэтому на выходе U_вых1 будет низкий потенциал, на выходе U_вых2 – высокий.

Если на вход подан низкий уровень (Н), т. е. U_вх = U_оп– d , то откроется Т2, а Т1 закроется. Обычно величины п d п = 0,1 … 0,5 В достаточно для перевода схемы из одного состояния в другое, сохраняя активный режим открытого транзистора.

Таким образом особенность переключателей тока состоит в использовании ненасыщенного режима работы транзисторов, что обеспечивает их повышенное быстродействие и по той же причине повышенные энергетические затраты в статическом режиме.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что "тёмная материя" - такая же фикция, как черная кошка в темной комнате. Это не физическая реальность, но фокус, подмена.
Реально идет речь о том, что релятивистские формулы не соответствуют астрономическим наблюдениям, давая на порядок и более меньшую массу и меньшую энергию. Отсюда сделан фокуснический вывод, что есть "темная материя" и "темная энергия", но не вывод, что релятивистские формулы не соответствуют реалиям. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира

Элементная база цифровых систем Принципы построения ключевых схем

Элементная база цифровых систем
Принципы построения ключевых схем